JP2011134972A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve short-channel characteristics of a P-type FET having a channel region composed of a semiconductor including Ge while preventing the occurrence of reverse short-channel characteristics. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes the P-type FET formed on a semiconductor substrate 100. The P-type FET is formed on the semiconductor substrate 100, and includes a first semiconductor layer 103 formed on the semiconductor substrate 100 and including Ge, a second semiconductor layer 104 formed on the first semiconductor layer 103 and including Ge having lower concentration than the first semiconductor layer 103, a gate electrode 110a formed on the second semiconductor layer 104 with a gate insulating film 107a interposed therebetween, p-type extension regions 111a formed at both positions of the second semiconductor layer 104 by the gate electrode 110a, and n-type impurity regions 152 provided in the first semiconductor layer 103 and formed under the p-type extension regions 111a. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本明細書に開示された技術は、ゲルマニウム(Ge)を含む半導体で構成されたチャネル領域を有するPチャネル型電界効果型トランジスタ(P型FET)とその製造方法に関するものである。   The technology disclosed in the present specification relates to a P-channel field effect transistor (P-type FET) having a channel region made of a semiconductor containing germanium (Ge) and a method for manufacturing the same.

半導体装置のデザインルールの縮小に伴って回路の集積度は飛躍的に向上し、1チップ上に1億個以上の電界効果型トランジスタ(FET)を搭載することも可能となっている。高性能なトランジスタを実現するためには、ゲート長の縮小だけでなく、ゲート絶縁膜の薄膜化も求められている。従来、ゲート絶縁膜としてはシリコン酸化膜、あるいは、その窒化膜であるシリコン酸窒化膜が用いられてきたが、EOT(Equivalent Oxide Thickness)が2nm以下の薄膜領域になると、ゲートリーク電流が増大し、回路の消費電力が増大するという不具合が発生する。   As the design rules of semiconductor devices are reduced, the degree of circuit integration has dramatically improved, and more than 100 million field effect transistors (FETs) can be mounted on one chip. In order to realize a high-performance transistor, not only reduction of the gate length but also reduction of the gate insulating film is required. Conventionally, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, which is a nitride film thereof, has been used as the gate insulating film. However, if the EOT (Equivalent Oxide Thickness) is a thin film region of 2 nm or less, the gate leakage current increases. This causes a problem that the power consumption of the circuit increases.

そこで、ゲートリーク電流を低減しつつ、EOT薄膜化を実現するために、高誘電率ゲート絶縁膜に関心が寄せられている。例えば、更なるEOT薄膜化のために、窒化チタンや窒化タンタルなどといったメタル材料を含むゲート電極を、高誘電率ゲート絶縁膜と組み合わせた、高誘電率ゲート絶縁膜/メタルゲート電極構造を有するトランジスタについて、多くの研究開発がなされている。   Therefore, in order to realize an EOT thin film while reducing a gate leakage current, attention is focused on a high dielectric constant gate insulating film. For example, a transistor having a high dielectric constant gate insulating film / metal gate electrode structure in which a gate electrode containing a metal material such as titanium nitride or tantalum nitride is combined with a high dielectric constant gate insulating film for further EOT thinning Much research and development has been done.

高誘電率ゲート絶縁膜/メタルゲート電極構造を実現する上での課題の一つに、トランジスタのしきい値電圧制御がある。従来から用いられているシリコン電極では、不純物イオン注入によってゲート電極の仕事関数を調整し、N型FET、P型FETでそれぞれに適したしきい値電圧を実現している。具体的には、N型FETに対しては、シリコン電極にヒ素やリンなどのn型不純物を注入することで仕事関数を低減させ、P型FETに対してはシリコン電極にボロンなどのp型不純物を注入することで、仕事関数の増大を図っている。一方、メタル電極に対しては、不純物注入による仕事関数制御ができないため、トランジスタのしきい値電圧制御が大きな課題となっている。   One of the problems in realizing the high dielectric constant gate insulating film / metal gate electrode structure is the threshold voltage control of the transistor. In silicon electrodes that have been used conventionally, the work function of the gate electrode is adjusted by impurity ion implantation, and threshold voltages suitable for the N-type FET and P-type FET are realized. Specifically, for N-type FETs, the work function is reduced by implanting n-type impurities such as arsenic and phosphorus into the silicon electrode, and for P-type FETs, p-type such as boron is used for the silicon electrode. The work function is increased by injecting impurities. On the other hand, the threshold voltage control of a transistor is a big problem because work function control by impurity implantation cannot be performed for a metal electrode.

P型FETのしきい値電圧制御、特にしきい値電圧を低減するための対策として、トランジスタのチャネル領域を従来のシリコン(Si)に対して、Si1−xGe(0<x≦1)(以下、単に「SiGe」と表記する場合もあり)で形成することが提案されている(非特許文献1参照)。 As a measure for controlling the threshold voltage of the P-type FET, particularly for reducing the threshold voltage, the channel region of the transistor is Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1) compared to conventional silicon (Si). ) (Hereinafter sometimes simply referred to as “SiGe”) (see Non-Patent Document 1).

図8(a)は、非特許文献1記載のP型FETの断面形状を模式的に示す図である。このP型FETは、半導体基板500と、半導体基板500の活性領域500a上に設けられた厚さ50nm程度のSiGe層504aと、SiGe層504a上にゲート絶縁膜507aを間に挟んで設けられたゲート電極510aと、SiGe層504aのうちゲート電極510aの両側方に位置する領域にそれぞれ設けられたp型のエクステンション領域511a及びn型のポケット不純物領域512aと、活性領域500a及びSiGe層504aのうちゲート電極510aの両側方であってゲート電極510aから見てエクステンション領域511aの外側に設けられたp型のソース領域/ドレイン領域514aとを備えている。SiGe層504aのうちゲート電極510aの直下領域はn型SiGe層504となっており、チャネル領域はこのn型SiGe層504内に形成される。   FIG. 8A is a diagram schematically showing a cross-sectional shape of the P-type FET described in Non-Patent Document 1. FIG. The P-type FET is provided on the semiconductor substrate 500, the SiGe layer 504a having a thickness of about 50 nm provided on the active region 500a of the semiconductor substrate 500, and the gate insulating film 507a sandwiched between the SiGe layer 504a. Of the gate electrode 510a, the p-type extension region 511a and the n-type pocket impurity region 512a provided in the regions located on both sides of the gate electrode 510a in the SiGe layer 504a, the active region 500a, and the SiGe layer 504a P-type source / drain regions 514a provided on both sides of the gate electrode 510a and outside the extension region 511a when viewed from the gate electrode 510a. Of the SiGe layer 504a, a region directly below the gate electrode 510a is an n-type SiGe layer 504, and a channel region is formed in the n-type SiGe layer 504.

ゲート絶縁膜507aは下部ゲート絶縁膜505aと上部ゲート絶縁膜506aとで構成され、ゲート電極510aは下部ゲート電極508aと上部ゲート電極509aとで構成されている。   The gate insulating film 507a is composed of a lower gate insulating film 505a and an upper gate insulating film 506a, and the gate electrode 510a is composed of a lower gate electrode 508a and an upper gate electrode 509a.

チャネル領域をSiGeで構成することで、しきい値電圧が低減するメカニズムは以下の通りである。   The mechanism for reducing the threshold voltage by configuring the channel region with SiGe is as follows.

Siのバンドギャップは、1.12eVであるのに対して、Geのバンドギャップは0.66eVと小さく、それらの混晶であるSi1−xGe(0<x≦1)のバンドギャップはGe組成比xに応じて、0.66eV〜1.12eVで連続的に変化する。SiとGeの電子親和力はほぼ同じであるため、組成比xの変化に伴うSi1−xGe(0<x≦1)のバンドギャップの変動は主に、価電子帯のエネルギーの変動に起因する。つまり、Si1−xGe(0<x≦1)の価電子帯のエネルギーは、Siの価電子帯のエネルギーに対して高くなる。その結果、SiGeでチャネルを構成することで、しきい値電圧を低減することが可能となる。非特許文献1によれば、n型SiGe層504の一部にチャネルを形成することで、250〜300mV程度のしきい値電圧の低減が報告されている。 The band gap of Si is 1.12 eV, whereas the band gap of Ge is as small as 0.66 eV, and the band gap of Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1), which is a mixed crystal thereof, is According to the Ge composition ratio x, it continuously changes from 0.66 eV to 1.12 eV. Since the electron affinity of Si and Ge is almost the same, the fluctuation of the band gap of Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1) accompanying the change of the composition ratio x is mainly due to the fluctuation of the energy of the valence band. to cause. That is, the energy of the valence band of Si 1-x Ge x (0 <x ≦ 1) is higher than the energy of the valence band of Si. As a result, the threshold voltage can be reduced by configuring the channel with SiGe. According to Non-Patent Document 1, a reduction in threshold voltage of about 250 to 300 mV has been reported by forming a channel in a part of the n-type SiGe layer 504.

H. R. Harris et al., Symp. VLSI Technology, p.154, 2007.H. R. Harris et al., Symp. VLSI Technology, p.154, 2007. Sumitomo & Matsumoto, Journal of The Electrochemical Society, 155 (4), H210-H212 (2008年)Sumitomo & Matsumoto, Journal of The Electrochemical Society, 155 (4), H210-H212 (2008)

しかしながら、チャネルにSiGe層を用いる場合、トランジスタのVt roll−off(以下、短チャネル特性と表記する場合もあり)が劣化しやすいという課題が発生する。   However, when the SiGe layer is used for the channel, there is a problem that the Vt roll-off (hereinafter sometimes referred to as short channel characteristics) of the transistor is likely to deteriorate.

図8(a)に示す従来の半導体装置では、短チャネル特性すなわちゲート長を短くした場合にしきい値電圧が急激に低下する特性を改善するためにエクステンション領域511aの周囲にn型のポケット不純物領域512aが設けられている。   In the conventional semiconductor device shown in FIG. 8A, an n-type pocket impurity region is provided around the extension region 511a in order to improve the short channel characteristic, that is, the characteristic that the threshold voltage rapidly decreases when the gate length is shortened. 512a is provided.

図8(b)は、従来の半導体装置におけるしきい値電圧Vtとゲート長Lgとの関係を示す図である。ここでは、チャネル領域がSiで構成されている半導体装置、チャネル領域がSiGeで構成され、高濃度の不純物を含むポケット不純物領域を備えた半導体装置、及びチャネル領域がSiGeで構成され、低濃度の不純物を含むポケット不純物領域を備えた半導体装置のそれぞれについてのシミュレーション結果を示している。   FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the threshold voltage Vt and the gate length Lg in the conventional semiconductor device. Here, a semiconductor device in which a channel region is made of Si, a semiconductor device in which a channel region is made of SiGe, a pocket impurity region containing a high concentration impurity, and a channel region is made of SiGe, and a low concentration The simulation result about each of the semiconductor devices provided with the pocket impurity region containing an impurity is shown.

図8(b)に示す結果から、チャネル領域がSiで構成されている半導体装置では広いゲート長範囲でしきい値電圧がほぼ一定になっているが、低濃度の不純物を含むポケット不純物領域を備えた半導体装置ではゲート長が減少するのに伴ってしきい値電圧が低下し、短チャネル特性が劣化していることが分かった。   From the result shown in FIG. 8B, in the semiconductor device in which the channel region is made of Si, the threshold voltage is almost constant over a wide gate length range. It was found that in the semiconductor device provided, as the gate length decreased, the threshold voltage decreased and the short channel characteristics deteriorated.

本願発明者らが原因を究明したところ、SiGe層中ではSi層中に比べてポケット不純物領域内の不純物の拡散係数が大きく、活性化アニール時にポケット不純物領域内の不純物が拡散し、不純物濃度が低下するために生じたものと考えられた。なお、非特許文献2によれば、Ge濃度が25%増大すると、ヒ素(As)の拡散係数が1桁増大するとのことである。   As a result of investigation by the inventors of the present application, in the SiGe layer, the impurity diffusion coefficient in the pocket impurity region is larger than in the Si layer, the impurity in the pocket impurity region diffuses during the activation annealing, and the impurity concentration is increased. It was thought to have occurred because of the decline. According to Non-Patent Document 2, when the Ge concentration increases by 25%, the diffusion coefficient of arsenic (As) increases by an order of magnitude.

ここで、ポケット不純物領域内の不純物濃度を増大させる場合、図8(b)に示すように、ある程度短チャネル特性を改善することができる。しかし、この場合にはポケット不純物領域からゲート電極の下方に拡散する不純物の量が増大するので、ゲート長が短い場合に一旦しきい値電圧が上昇する現象(逆短チャネル特性)が発生してしまう。   Here, when the impurity concentration in the pocket impurity region is increased, the short channel characteristics can be improved to some extent as shown in FIG. However, in this case, since the amount of impurities diffusing from the pocket impurity region to the lower side of the gate electrode increases, a phenomenon (inverse short channel characteristic) in which the threshold voltage increases once when the gate length is short occurs. End up.

特に、SiGe層中では、ポケット不純物領域内の不純物の拡散が増大するため、ゲート電極下部へのポケット不純物の拡散が顕著になり、逆短チャネル特性が強く表れてしまう。   In particular, in the SiGe layer, since the diffusion of impurities in the pocket impurity region increases, the diffusion of the pocket impurity to the lower portion of the gate electrode becomes remarkable, and the reverse short channel characteristic appears strongly.

つまり、ポケット不純物濃度の増大により、ゲート寸法の変動に伴うしきい値電圧の変動を低減(短チャネル特性の改善)させることは可能であるが、ショートトランジスタ(すなわち、ゲート長が短いトランジスタ)のしきい値電圧が全体的に上昇するのを抑制しつつ、しきい値電圧の変動を抑えることは容易ではないと考えられる。   That is, by increasing the pocket impurity concentration, it is possible to reduce fluctuations in threshold voltage due to fluctuations in gate dimensions (improvement of short channel characteristics), but in short transistors (that is, transistors having a short gate length). It is considered that it is not easy to suppress the fluctuation of the threshold voltage while suppressing the increase of the threshold voltage as a whole.

本発明の目的は、Geを含む半導体で構成されるチャネル領域を有するP型FETにおいて、逆短チャネル特性の発生を抑制しつつ、短チャネル特性を改善することにある。   An object of the present invention is to improve short channel characteristics while suppressing the occurrence of reverse short channel characteristics in a P-type FET having a channel region formed of a semiconductor containing Ge.

本発明の一例である半導体装置は、半導体基板上に形成されたPチャネル型トランジスタを備えた半導体装置であって、前記Pチャネル型トランジスタは、前記半導体基板上に形成され、ゲルマニウムを含有する第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成され、前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に第1のゲート絶縁膜を間に挟んで形成された第1のゲート電極と、前記第2の半導体層のうち前記第1のゲート電極の両側方に位置する部分に形成されたp型の第1のエクステンション領域と、少なくとも前記第1の半導体層内に設けられ、且つ前記第1のエクステンション領域の下に形成されたn型不純物領域とを有している。   A semiconductor device as an example of the present invention is a semiconductor device including a P-channel transistor formed on a semiconductor substrate, and the P-channel transistor is formed on the semiconductor substrate and contains germanium. One semiconductor layer, a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and containing germanium at a lower concentration than the first semiconductor layer, and a first semiconductor layer on the second semiconductor layer. A first gate electrode formed with a gate insulating film interposed therebetween, and a p-type first extension formed on a portion of the second semiconductor layer located on both sides of the first gate electrode. A region and an n-type impurity region provided at least in the first semiconductor layer and formed below the first extension region.

上述の構成によれば、第1のエクステンション領域の下にn型不純物領域が設けられていることでソース−ドレイン間のリーク電流を低減できる等、短チャネル効果を抑制することができる。また、SiGe層中でのn型不純物の拡散係数は、Ge濃度の増大に伴い増加する。従って、第2の半導体層に含まれるGe濃度を第1の半導体層中のGe濃度よりも低くすることで、n型不純物領域中のn型不純物がゲート電極の下方領域に拡散するのを抑えることができるので、ゲート長が短い場合でもしきい値電圧が上昇する等の逆短チャネル効果の発生を抑えることができる。   According to the above-described configuration, the short channel effect can be suppressed, for example, the leakage current between the source and the drain can be reduced by providing the n-type impurity region below the first extension region. In addition, the diffusion coefficient of n-type impurities in the SiGe layer increases as the Ge concentration increases. Therefore, by making the Ge concentration contained in the second semiconductor layer lower than the Ge concentration in the first semiconductor layer, the diffusion of the n-type impurity in the n-type impurity region into the region below the gate electrode is suppressed. Therefore, even when the gate length is short, the occurrence of an inverse short channel effect such as an increase in threshold voltage can be suppressed.

これに対し、第1のエクステンション領域に含まれるp型不純物の拡散係数は、半導体層中のGe濃度が増大するにつれて減少する。そのため、Ge濃度が第2の半導体層よりも高い第1の半導体層中ではp型不純物の拡散が抑えられるので、従来の半導体装置に比べて第1のエクステンション領域とn型不純物領域との接合部の深さを浅くすることができる。そのため、短チャネル効果を効果的に抑制することができる。また、ゲート電極の下方にSiGeからなる第2の半導体層が設けられているので、シリコン基板上にゲート電極を設ける場合に比べてP型FETのしきい値電圧を下げることができる。   On the other hand, the diffusion coefficient of the p-type impurity contained in the first extension region decreases as the Ge concentration in the semiconductor layer increases. Therefore, the diffusion of the p-type impurity is suppressed in the first semiconductor layer having a Ge concentration higher than that of the second semiconductor layer, so that the junction between the first extension region and the n-type impurity region is compared with the conventional semiconductor device. The depth of the part can be reduced. Therefore, the short channel effect can be effectively suppressed. Further, since the second semiconductor layer made of SiGe is provided below the gate electrode, the threshold voltage of the P-type FET can be lowered as compared with the case where the gate electrode is provided on the silicon substrate.

本発明の一例に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲルマニウムを含有する第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層上に前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層上にゲート絶縁膜を間に挟んでゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記第2の半導体層にp型不純物イオンを注入しエクステンション注入領域を形成する工程と、前記半導体基板に熱処理を加えることで前記エクステンション注入領域内の不純物を活性化させ、前記第2の半導体層のうち前記ゲート電極の両側方に位置する領域にp型のエクステンション領域を形成する工程とを備えている。   A method for manufacturing a semiconductor device according to an example of the present invention includes: a step of forming a first semiconductor layer containing germanium on a semiconductor substrate; and a lower concentration than the first semiconductor layer on the first semiconductor layer. Forming a second semiconductor layer containing germanium, forming a gate electrode on the second semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween, and using the gate electrode as a mask, A step of implanting p-type impurity ions into the semiconductor layer to form an extension implantation region; and applying heat treatment to the semiconductor substrate to activate impurities in the extension implantation region, so that the gate of the second semiconductor layer is activated. Forming a p-type extension region in regions located on both sides of the electrode.

この方法によれば、Geを含む第1の半導体層と、第1の半導体層よりも低濃度のGeを含む第2の半導体層を設けることで、n型不純物領域を形成するためのn型不純物が製造工程中に第2の半導体層のうちゲート電極の下方に位置する部分に拡散するのを抑えることができる。また、エクステンション注入領域中のp型不純物が第1の半導体層中に拡散するのを抑えることで、エクステンション領域のn型不純物領域との接合部の深さを浅くすることができ、短チャネル効果が抑制された半導体装置を製造することが可能となる。このため、ゲート長を短くした場合でも、Geを含む第2の半導体層をチャネルとして用いることによるしきい値電圧低減効果を発揮させることができる。   According to this method, an n-type impurity region for forming an n-type impurity region is provided by providing a first semiconductor layer containing Ge and a second semiconductor layer containing Ge at a lower concentration than the first semiconductor layer. Impurities can be prevented from diffusing into a portion of the second semiconductor layer located below the gate electrode during the manufacturing process. Further, by suppressing the p-type impurity in the extension implantation region from diffusing into the first semiconductor layer, the depth of the junction between the extension region and the n-type impurity region can be reduced, and the short channel effect can be achieved. It is possible to manufacture a semiconductor device in which the above is suppressed. For this reason, even when the gate length is shortened, the effect of reducing the threshold voltage by using the second semiconductor layer containing Ge as a channel can be exhibited.

本発明の一例に係る半導体装置によれば、P型FETにおいて、逆短チャネル特性の発生を抑制しつつ、短チャネル特性の改善が可能となるので、Geを含む半導体層をチャネルとして用いることによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長を短くした場合にも維持することが可能になる。   According to the semiconductor device according to the example of the present invention, in the P-type FET, it is possible to improve the short channel characteristic while suppressing the occurrence of the reverse short channel characteristic. Therefore, by using the semiconductor layer containing Ge as the channel. The threshold voltage reduction effect can be maintained even when the gate length is shortened.

(a)は、本発明の一例である実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、(b)は、当該半導体装置及び従来の半導体装置におけるゲート長としきい値電圧の関係を示す図である。(A) is sectional drawing which shows the semiconductor device which concerns on embodiment which is an example of this invention, (b) is a figure which shows the relationship between the gate length and threshold voltage in the said semiconductor device and the conventional semiconductor device. is there. (a)〜(c)は、図1に示す半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. (a)〜(c)は、図1に示す半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. (a)〜(c)は、図1に示す半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. (a)は、図1(a)に示す半導体装置の変形例を示す断面図であり、(b)は、当該変形例に係る半導体装置と従来の半導体装置におけるゲート長としきい値電圧の関係を示す図である。(A) is sectional drawing which shows the modification of the semiconductor device shown to Fig.1 (a), (b) is the relationship between the gate length and threshold voltage in the semiconductor device which concerns on the said modification, and the conventional semiconductor device. FIG. (a)〜(c)は、図5(a)に示す変形例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification shown to Fig.5 (a). (a)〜(c)は、図5(a)に示す変形例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification shown to Fig.5 (a). (a)は、非特許文献1記載のP型FETの断面形状を模式的に示す図であり、(b)は、従来の半導体装置におけるしきい値電圧Vtとゲート長Lgとの関係を示す図である。(A) is a figure which shows typically the cross-sectional shape of P-type FET of a nonpatent literature 1, (b) shows the relationship between the threshold voltage Vt and the gate length Lg in the conventional semiconductor device. FIG.

図1(a)は、本発明の一例である実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。   FIG. 1A is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment which is an example of the present invention.

本実施形態の半導体装置は、P型FET領域とN型FET領域とが形成された半導体基板100と、半導体基板100のP型FET領域に形成されたnウェル領域100aと、nウェル領域100aのうちの素子分離領域101に囲まれた部分である活性領域102aと、半導体基板100のN型FET領域に形成されたpウェル領域100bと、pウェル領域100bのうちの素子分離領域101に囲まれた部分である活性領域102bと、半導体基板100のP型FET領域上(活性領域102a上)に設けられたP型FETと、半導体基板100のN型FET領域上(活性領域102b上)に設けられたN型FETとを備えている。ここで、活性領域102aは、半導体基板100に形成されたnウェル領域100aと、nウェル領域100a上に形成されたゲルマニウム(Ge)を含有する第1の半導体層103と、第1の半導体層103上に形成され、第1の半導体層103よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層104とを有している。また、活性領域102bは半導体基板100に形成されたpウェル領域100bを有している。   The semiconductor device of this embodiment includes a semiconductor substrate 100 in which a P-type FET region and an N-type FET region are formed, an n-well region 100a formed in the P-type FET region of the semiconductor substrate 100, and an n-well region 100a. An active region 102a which is a portion surrounded by the element isolation region 101, a p well region 100b formed in an N-type FET region of the semiconductor substrate 100, and an element isolation region 101 of the p well region 100b. An active region 102b, a P-type FET provided on the P-type FET region (on the active region 102a) of the semiconductor substrate 100, and an N-type FET region (on the active region 102b) of the semiconductor substrate 100. N-type FET. Here, the active region 102a includes an n well region 100a formed in the semiconductor substrate 100, a first semiconductor layer 103 containing germanium (Ge) formed on the n well region 100a, and a first semiconductor layer. 103 and a second semiconductor layer 104 containing germanium at a lower concentration than the first semiconductor layer 103. The active region 102 b has a p-well region 100 b formed in the semiconductor substrate 100.

P型FETは、活性領域102aにおける第2の半導体層104上にゲート絶縁膜107aを間に挟んで形成されたゲート電極110aと、ゲート電極110aの側面上に形成されたサイドウォールスペーサ113aと、第2の半導体層104のうちゲート電極110aの両側方に位置する部分に形成されたp型エクステンション領域111aと、少なくとも活性領域102aにおける第1の半導体層103内に設けられ、且つp型エクステンション領域111aの下に形成されたn型不純物領域152と、活性領域102aのうちゲート電極110aの両側方であって、ゲート電極110aから見てp型エクステンション領域111aの外側に位置する部分に形成されたp型ソース/ドレイン領域114aとを有している。   The P-type FET includes a gate electrode 110a formed on the second semiconductor layer 104 in the active region 102a with a gate insulating film 107a interposed therebetween, a sidewall spacer 113a formed on a side surface of the gate electrode 110a, A p-type extension region 111a formed in a portion of the second semiconductor layer 104 located on both sides of the gate electrode 110a and a p-type extension region provided in the first semiconductor layer 103 at least in the active region 102a. An n-type impurity region 152 formed under 111a and the active region 102a are formed on both sides of the gate electrode 110a and at a portion located outside the p-type extension region 111a when viewed from the gate electrode 110a. p-type source / drain regions 114a.

なお、本明細書中で「ソース/ドレイン領域」とは、「ソース領域又はドレイン領域」の意味であり、ゲート電極を挟んで設けられたソース/ドレイン領域の一方がソース領域であれば他方がドレイン領域となり、一方がドレイン領域であれば他方がソース領域となる。p型ソース/ドレイン領域114aのp型不純物濃度はp型エクステンション領域111aよりも高濃度のp型不純物を含んでいる。   Note that in this specification, “source / drain region” means “source region or drain region”. If one of the source / drain regions provided with the gate electrode interposed therebetween is a source region, the other is If one is a drain region, the other is a source region. The p-type impurity concentration of the p-type source / drain region 114a includes a higher concentration of p-type impurities than the p-type extension region 111a.

第1の半導体層103中のGeの原子濃度(結晶格子を構成する原子中のGe原子の100分率)は例えば50%であり、第2の半導体層104中のGeの原子濃度は例えば25%である。以下、本明細書で単に「Geの濃度」という場合は、Geの原子濃度を意味するものとする。   The atomic concentration of Ge in the first semiconductor layer 103 (100 fraction of Ge atoms in atoms constituting the crystal lattice) is, for example, 50%, and the atomic concentration of Ge in the second semiconductor layer 104 is, for example, 25. %. Hereinafter, simply referring to “Ge concentration” in this specification means the atomic concentration of Ge.

ゲート絶縁膜107aは例えば膜厚が1nmのシリコン酸化膜105aと、シリコン酸化膜105a上に設けられ、膜厚が2nmである高誘電率絶縁膜106aとで構成されている。高誘電率絶縁膜106aは例えばハフニウム(Hf)酸化物等の高誘電率絶縁体である金属酸化物等で構成されている。ここで、「高誘電率絶縁体」とは、シリコン窒化膜よりも誘電率が高い物質を意味するものとする。   The gate insulating film 107a includes, for example, a silicon oxide film 105a having a thickness of 1 nm and a high dielectric constant insulating film 106a provided on the silicon oxide film 105a and having a thickness of 2 nm. The high dielectric constant insulating film 106a is made of, for example, a metal oxide that is a high dielectric constant insulator such as hafnium (Hf) oxide. Here, the “high dielectric constant insulator” means a substance having a dielectric constant higher than that of the silicon nitride film.

ゲート電極110aは、ゲート絶縁膜107a上に設けられた金属または導電性の金属化合物からなる下部ゲート電極108aと、下部ゲート電極108a上に設けられたポリシリコン等からなる上部ゲート電極109aとで構成されている。下部ゲート電極108aは例えば窒化チタン(TiN)等で構成されている。下部ゲート電極108aの膜厚は例えば10nm程度であり、上部ゲート電極109aの膜厚は例えば100nm程度である。ゲート電極110aのゲート長方向の幅は40nm程度であり、サイドウォールスペーサ113aの幅は例えば40nm程度である。   The gate electrode 110a includes a lower gate electrode 108a made of a metal or a conductive metal compound provided on the gate insulating film 107a, and an upper gate electrode 109a made of polysilicon or the like provided on the lower gate electrode 108a. Has been. The lower gate electrode 108a is made of, for example, titanium nitride (TiN). The film thickness of the lower gate electrode 108a is, for example, about 10 nm, and the film thickness of the upper gate electrode 109a is, for example, about 100 nm. The width of the gate electrode 110a in the gate length direction is about 40 nm, and the width of the sidewall spacer 113a is about 40 nm, for example.

p型エクステンション領域111aはサイドウォールスペーサ113aの直下に位置するとともに、平面視においてゲート電極110aのゲート長方向の端部と重なっている。   The p-type extension region 111a is located immediately below the sidewall spacer 113a and overlaps the end of the gate electrode 110a in the gate length direction in plan view.

n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下に位置する部分はn型ポケット領域112aとなっている。n型ポケット領域112aは第1の半導体層103中でp型エクステンション領域111aよりも内側まで拡がっており、且つ第2の半導体層104の下部にまで拡がっている。n型不純物領域152のうちゲート電極110aの直下方に位置する部分(すなわちn型下層SiGe層103a)は、n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下で且つ第1の半導体層103内に設けられた部分(n型ポケット領域112a)よりもn型不純物濃度が低くなっている。また、n型ポケット領域112aのうち第2の半導体層104内に設けられた部分のn型不純物濃度は、n型ポケット領域112aのうちp型エクステンション領域111aの下で、且つ、第1の半導体層103内に設けられた部分のn型不純物濃度よりも低くなっている。なお、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとの接合界面は、第2の半導体層104の上面から例えば深さ20nmの位置にある。   A portion of the n-type impurity region 152 located below the p-type extension region 111a is an n-type pocket region 112a. The n-type pocket region 112 a extends to the inner side of the p-type extension region 111 a in the first semiconductor layer 103 and extends to the lower part of the second semiconductor layer 104. A portion of the n-type impurity region 152 located immediately below the gate electrode 110a (ie, the n-type lower SiGe layer 103a) is located under the p-type extension region 111a in the n-type impurity region 152 and in the first semiconductor layer 103. The n-type impurity concentration is lower than the portion (n-type pocket region 112a) provided inside. Further, the n-type impurity concentration of the portion of the n-type pocket region 112a provided in the second semiconductor layer 104 is lower than the p-type extension region 111a in the n-type pocket region 112a and the first semiconductor layer. The n-type impurity concentration of the portion provided in the layer 103 is lower. Note that the junction interface between the p-type extension region 111 a and the n-type pocket region 112 a is located at a depth of, for example, 20 nm from the upper surface of the second semiconductor layer 104.

また、第2の半導体層104のうちゲート電極110aの直下に位置する部分は、n型下層SiGe層103aと同程度の濃度でn型不純物を含むn型上層SiGe層104aとなっており、このn型上層SiGe層104aは、P型FETの動作時にはチャネル領域となる。   Further, a portion of the second semiconductor layer 104 located immediately below the gate electrode 110a is an n-type upper SiGe layer 104a containing an n-type impurity at the same concentration as the n-type lower SiGe layer 103a. The n-type upper SiGe layer 104a becomes a channel region during the operation of the P-type FET.

n型ポケット領域112aのうち第1の半導体層103に設けられた部分のn型不純物濃度は例えば3×1018atoms/cmであり、n型下層SiGe層103a及びn型上層SiGe層104aのn型不純物濃度は例えば1×1017atoms/cmである。なお、n型ポケット領域112aのうち第1の半導体層103内で且つp型エクステンション領域111aの下に位置する部分には、n型不純物の濃度ピークがある。 The n-type impurity concentration of the portion of the n-type pocket region 112a provided in the first semiconductor layer 103 is 3 × 10 18 atoms / cm 3 , for example, and the n-type lower SiGe layer 103a and the n-type upper SiGe layer 104a The n-type impurity concentration is, for example, 1 × 10 17 atoms / cm 3 . Note that a portion of the n-type pocket region 112a located in the first semiconductor layer 103 and below the p-type extension region 111a has an n-type impurity concentration peak.

一方、半導体基板100のN型FET領域における活性領域102bにはSiGe層等のGeを含む半導体層は設けられていない。   On the other hand, the active region 102b in the N-type FET region of the semiconductor substrate 100 is not provided with a Ge-containing semiconductor layer such as a SiGe layer.

N型FETは、活性領域102b上にゲート絶縁膜107bを間に挟んで形成されたゲート電極110bと、ゲート電極110bの側面上に形成されたサイドウォールスペーサ113bと、活性領域102b(半導体基板100)のうちゲート電極110bの両側方に位置する部分に形成されたn型エクステンション領域111bと、活性領域102bのうちn型エクステンション領域111bの下に位置する部分に形成されたp型ポケット領域112bと、活性領域102bのうちゲート電極110bの両側方であって、ゲート電極110bから見てn型エクステンション領域111bの外側に位置する部分に形成されたn型ソース領域/ドレイン領域114bとを有している。   The N-type FET includes a gate electrode 110b formed on the active region 102b with a gate insulating film 107b interposed therebetween, a sidewall spacer 113b formed on a side surface of the gate electrode 110b, and an active region 102b (semiconductor substrate 100). ), An n-type extension region 111b formed in a portion located on both sides of the gate electrode 110b, and a p-type pocket region 112b formed in a portion of the active region 102b located under the n-type extension region 111b; The n-type source region / drain region 114b is formed on a part of the active region 102b on both sides of the gate electrode 110b and outside the n-type extension region 111b when viewed from the gate electrode 110b. Yes.

図1(a)に示す例では活性領域102bのうちゲート電極110bの直下部分がチャネル領域となる。   In the example shown in FIG. 1A, a portion of the active region 102b immediately below the gate electrode 110b is a channel region.

ゲート絶縁膜107bはシリコン酸化膜105bと、シリコン酸化膜105b上に設けられ、金属酸化物等からなる高誘電率絶縁膜106bとで構成されている。   The gate insulating film 107b is composed of a silicon oxide film 105b and a high dielectric constant insulating film 106b formed on the silicon oxide film 105b and made of a metal oxide or the like.

ゲート電極110bは、ゲート絶縁膜107b上に設けられた金属または導電性の金属化合物からなる下部ゲート電極108bと、下部ゲート電極108b上に設けられたポリシリコン等からなる上部ゲート電極109bとで構成されている。下部ゲート電極108bは例えばTiN等で構成されている。   The gate electrode 110b includes a lower gate electrode 108b made of a metal or a conductive metal compound provided on the gate insulating film 107b, and an upper gate electrode 109b made of polysilicon or the like provided on the lower gate electrode 108b. Has been. The lower gate electrode 108b is made of, for example, TiN.

図1(b)は、本実施形態の半導体装置と従来の半導体装置におけるゲート長としきい値電圧の関係を示す図である。同図では、(1)図1(a)に示す積層SiGe層上にゲート電極を設けた本実施形態の半導体装置と、(2)単層SiGe層上にゲート電極を設けた従来の半導体装置と、(3)一般的なSi基板上にゲート電極を設けた従来の半導体装置とについてのシミュレーション結果を示している。   FIG. 1B is a diagram showing the relationship between the gate length and the threshold voltage in the semiconductor device of this embodiment and the conventional semiconductor device. In this figure, (1) the semiconductor device of this embodiment in which a gate electrode is provided on the laminated SiGe layer shown in FIG. 1A, and (2) a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a single-layer SiGe layer. And (3) a simulation result for a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a general Si substrate.

本実施形態の半導体装置では、SiGeで構成されたチャネル領域を備えているので、図1(b)に示すように、同じゲート長(Lg)で比べた場合のしきい値電圧が大きく低減されている。このため、半導体装置のオン電流を向上させることができる。   Since the semiconductor device of this embodiment has a channel region made of SiGe, the threshold voltage when compared with the same gate length (Lg) is greatly reduced as shown in FIG. ing. For this reason, the on-current of the semiconductor device can be improved.

また、P型FETにn型ポケット領域112aを設けているので、ソース−ドレイン間のリーク電流は効果的に低減されている。特に、p型不純物(例えばボロン)はSiGe層中のGe濃度が高い方が拡散しにくくなっている。本実施形態のP型FETではp型エクステンション領域111aに含まれるp型不純物の拡散がGe濃度の高い第1の半導体層103中では抑制されるので、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとのPN接合位置を浅くすることができる。このため、P型FETにおける短チャネル特性は従来の単層SiGe層を有する半導体装置に比べて大きく改善されている。   In addition, since the n-type pocket region 112a is provided in the P-type FET, the leakage current between the source and the drain is effectively reduced. In particular, p-type impurities (for example, boron) are more difficult to diffuse when the Ge concentration in the SiGe layer is higher. In the P-type FET of this embodiment, the diffusion of the p-type impurity contained in the p-type extension region 111a is suppressed in the first semiconductor layer 103 having a high Ge concentration, so the p-type extension region 111a and the n-type pocket region 112a. PN junction position can be made shallower. For this reason, the short channel characteristic in the P-type FET is greatly improved as compared with the conventional semiconductor device having a single-layer SiGe layer.

また、SiGe層におけるn型不純物の拡散係数は、SiGe層中のGe濃度が増加するほど大きくなる。ここで、本実施形態の半導体装置では、積層SiGe層を有し、チャネル領域を含む第2の半導体層104のGe濃度が第1の半導体層103のGe濃度よりも低くなっているので、n型ポケット領域112aを形成するために注入した砒素(As)やリン(P)などの不純物が熱処理の際にチャネル領域に拡散しにくくなっている。このため、図1(b)の線(1)に示すように、従来の単層SiGe層を有する半導体装置(線(2))に比べ、広いゲート長の範囲でしきい値電圧の変動が小さくなっている。   Further, the diffusion coefficient of the n-type impurity in the SiGe layer increases as the Ge concentration in the SiGe layer increases. Here, in the semiconductor device of this embodiment, since the Ge concentration of the second semiconductor layer 104 including the stacked SiGe layer and including the channel region is lower than the Ge concentration of the first semiconductor layer 103, n Impurities such as arsenic (As) and phosphorus (P) implanted to form the mold pocket region 112a are difficult to diffuse into the channel region during heat treatment. For this reason, as shown by the line (1) in FIG. 1B, the threshold voltage fluctuates in a wider gate length range than the conventional semiconductor device having the single-layer SiGe layer (line (2)). It is getting smaller.

このように、本実施形態の半導体装置では、n型ポケット領域112aを主にGe濃度の高い第1の半導体層103内に形成することによってP型FETにおける短チャネル効果の発生を抑えつつ、ゲート長が短い範囲でもしきい値電圧の変動を小さくすることができる。このため、本実施形態の半導体装置では、多数のP型FETを設けた場合に、ゲート長のばらつきが生じてもしきい値電圧のばらつきが生じにくくなっており、しきい値電圧の制御が容易となっている。また、P型FETにSiGeチャネルを用いたことによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長が小さいP型FETにおいても維持することが可能となっている。   As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the n-type pocket region 112a is formed mainly in the first semiconductor layer 103 having a high Ge concentration, thereby suppressing the occurrence of the short channel effect in the P-type FET and the gate. Even in a short length range, the variation in threshold voltage can be reduced. For this reason, in the semiconductor device of this embodiment, when a large number of P-type FETs are provided, even if the gate length varies, the threshold voltage does not easily vary, and the threshold voltage can be easily controlled. It has become. Further, the effect of reducing the threshold voltage by using the SiGe channel in the P-type FET can be maintained even in the P-type FET having a small gate length.

なお、各層の膜厚や第1の半導体層103、第2の半導体層104中のGe濃度などは上述の例に限定されず、設定したいしきい値電圧や短チャネル特性の劣化の度合に合わせて任意に選択することができる。   Note that the film thickness of each layer and the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 are not limited to the above-described examples, and are adjusted according to the threshold voltage to be set and the degree of deterioration of the short channel characteristics. Can be arbitrarily selected.

例えば、第1の半導体層103中のGe濃度は0%を越え、且つ100%以下であればよく、第2の半導体層104中のGe濃度は第1の半導体層103のGe濃度より小さければ、0%以上で且つ100%未満であってよい。ただし、しきい値電圧低減の観点から、第2の半導体層104のGe濃度は10%以上であることが好ましい。また、ゲート電極110aの下方領域へのポケット不純物(n型ポケット領域112aを形成するために注入された不純物)の拡散抑制や、p型エクステンション領域111aのn型ポケット領域112aとの接合位置を浅くする観点から、第1の半導体層103中のGe濃度は第2の半導体層104中のGe濃度よりも10%以上高いことが望ましい。また、第1の半導体層103の膜厚は、ポケット不純物による短チャネル特性の抑制効果を保つため、5nm以上20nm以下の範囲とすることが望ましい。   For example, the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 may be greater than 0% and 100% or less, and the Ge concentration in the second semiconductor layer 104 may be lower than the Ge concentration in the first semiconductor layer 103. 0% or more and less than 100%. However, from the viewpoint of threshold voltage reduction, the Ge concentration of the second semiconductor layer 104 is preferably 10% or more. Further, diffusion of pocket impurities (impurities implanted to form the n-type pocket region 112a) into the region below the gate electrode 110a is suppressed, and the junction position of the p-type extension region 111a with the n-type pocket region 112a is shallow. In view of this, the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 is desirably 10% or more higher than the Ge concentration in the second semiconductor layer 104. The thickness of the first semiconductor layer 103 is preferably in the range of 5 nm to 20 nm in order to maintain the effect of suppressing short channel characteristics due to pocket impurities.

また、上述の例では、p型エクステンション領域111aを第2の半導体層104内に形成し、n型ポケット領域112aの不純物濃度のピークを第1の半導体層103内に形成するが、p型エクステンション領域111aの形成位置及びn型ポケット領域112aの不純物濃度のピーク位置はこれに限られない。例えば、p型エクステンション領域111aが第2の半導体層104内だけでなく、第1の半導体層103内にも形成されていてもよいし、n型ポケット領域112aの不純物濃度のピーク位置が第2の半導体層104内にあってもよい。後者の場合においても、従来の半導体装置に比べてポケット領域形成用のn型不純物はゲート電極110aの下方領域へと拡散しにくくなるため、逆短チャネル効果は抑えられる。   In the above example, the p-type extension region 111a is formed in the second semiconductor layer 104, and the impurity concentration peak of the n-type pocket region 112a is formed in the first semiconductor layer 103. The formation position of the region 111a and the peak position of the impurity concentration of the n-type pocket region 112a are not limited thereto. For example, the p-type extension region 111a may be formed not only in the second semiconductor layer 104 but also in the first semiconductor layer 103, and the peak position of the impurity concentration of the n-type pocket region 112a is the second position. The semiconductor layer 104 may be present. Even in the latter case, since the n-type impurity for forming the pocket region is less likely to diffuse into the region below the gate electrode 110a as compared with the conventional semiconductor device, the reverse short channel effect is suppressed.

なお、n型ポケット領域112aに導入されているn型不純物は、ヒ素又はリン、あるいはこの両方であってよい。p型エクステンション領域111a、p型ソース/ドレイン領域114aに含まれるp型不純物は例えばボロンであってよい。   Note that the n-type impurity introduced into the n-type pocket region 112a may be arsenic, phosphorus, or both. The p-type impurity contained in the p-type extension region 111a and the p-type source / drain region 114a may be boron, for example.

また、上述の例では、第2の半導体層104上にシリコン酸化膜105aが形成されているが、第2の半導体層104上に例えばエピタキシャル成長させた薄いSi層を形成した後、当該Si層の上部を酸化することでシリコン酸化膜105aを形成してもよい。Si層を形成することにより、シリコン酸化膜105aの膜質を向上させることができ、移動度劣化などのP型FETの特性劣化を抑制することが可能となる。ただし、Si層を厚くし過ぎるとSiGeで構成された第2の半導体層だけでなくSi層中にもチャネルが形成され、しきい値電圧低減効果が減少する。このため、Si層の膜厚は0nmを越え、且つ3nm以下であることが望ましい。   In the above example, the silicon oxide film 105a is formed on the second semiconductor layer 104. However, after forming a thin Si layer epitaxially grown on the second semiconductor layer 104, for example, The silicon oxide film 105a may be formed by oxidizing the upper part. By forming the Si layer, the film quality of the silicon oxide film 105a can be improved, and it is possible to suppress deterioration of characteristics of the P-type FET such as mobility deterioration. However, if the Si layer is too thick, a channel is formed not only in the second semiconductor layer made of SiGe but also in the Si layer, and the threshold voltage reduction effect is reduced. For this reason, it is desirable that the thickness of the Si layer exceeds 0 nm and is 3 nm or less.

また、第1の半導体層103、第2の半導体層104の歪状態については特に限定しないが、しきい値電圧を効果的に低減させるため、両層には適切な歪が印加されていることが望ましい。このような歪みは種々の方法で印加することができるが、例えば第1の半導体層103及び第2の半導体層104をシリコンからなる半導体基板1上にエピタキシャル成長させることでSiGe層の格子を歪ませることができる。   In addition, the strain state of the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 is not particularly limited, but appropriate strain is applied to both layers in order to effectively reduce the threshold voltage. Is desirable. Such strain can be applied by various methods. For example, the lattice of the SiGe layer is distorted by epitaxially growing the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 on the semiconductor substrate 1 made of silicon. be able to.

また、シリコン酸化膜105a、高誘電率絶縁膜106a、下部ゲート電極108a、上部ゲート電極109a、サイドウォールスペーサ113a等の構成材料、膜厚は上記で説明した内容に限定されない。これらの部材の構成は、本実施形態の構成によって得られる効果には影響を与えない。   Further, the constituent materials and film thicknesses of the silicon oxide film 105a, the high dielectric constant insulating film 106a, the lower gate electrode 108a, the upper gate electrode 109a, the sidewall spacer 113a, and the like are not limited to the contents described above. The configuration of these members does not affect the effect obtained by the configuration of the present embodiment.

−本実施形態に係る半導体装置の製造方法−
図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)、及び図4(a)〜(c)は、図1に示す半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。図2(a)〜(c)では理解しやすいようにCMOS構造を形成する際のP型FET領域とN型FET領域の両方を示すが、図3(a)〜(c)及び図4(a)〜(c)はP型FET領域のみを示す。
-Manufacturing method of semiconductor device according to this embodiment-
2A to 2C, 3A to 3C, and 4A to 4C are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. . 2A to 2C show both the P-type FET region and the N-type FET region when forming the CMOS structure for easy understanding, but FIGS. 3A to 3C and FIG. a) to (c) show only the P-type FET region.

まず、図2(a)に示すように、シリコン等からなり、リンやヒ素などのn型不純物を含む半導体基板100にnウェル領域100a、pウェル領域100bを形成した後、STI(Shallow Trench Isolation)法などにより素子分離領域101を形成することで、活性領域102a、102bを形成する。   First, as shown in FIG. 2A, after forming an n-well region 100a and a p-well region 100b on a semiconductor substrate 100 made of silicon or the like and containing n-type impurities such as phosphorus and arsenic, STI (Shallow Trench Isolation) is formed. The active regions 102a and 102b are formed by forming the element isolation region 101 by the method.

次いで、半導体基板100上の全面に保護膜150を形成する。保護膜150としては、例えば厚さ10nm程度のシリコン酸化膜が用いられる。続いて、公知のリソグラフィ及びフッ酸等によるエッチングにより、保護膜150のP型FET領域上部分に開口を設ける。この保護膜150はSiGe層の成長を阻害する目的で形成される。   Next, a protective film 150 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 100. As the protective film 150, for example, a silicon oxide film having a thickness of about 10 nm is used. Subsequently, an opening is provided in the upper portion of the P-type FET region of the protective film 150 by known lithography and etching with hydrofluoric acid or the like. This protective film 150 is formed for the purpose of inhibiting the growth of the SiGe layer.

次に、図2(b)に示すように、保護膜150をマスクとしてSiエッチング151を行い、後に形成するSiGe層の厚み分(例えば30nm)程度半導体基板100を薄くする。具体的には、塩化水素(HCl)雰囲気中850度で半導体基板100を熱処理することで、露出しているP型FET領域をエッチングする。   Next, as shown in FIG. 2B, Si etching 151 is performed using the protective film 150 as a mask, and the semiconductor substrate 100 is thinned by the thickness of an SiGe layer to be formed later (for example, 30 nm). Specifically, the exposed P-type FET region is etched by heat-treating the semiconductor substrate 100 at 850 degrees in a hydrogen chloride (HCl) atmosphere.

次に、図2(c)に示すように、半導体基板100(活性領域102a)のP型FET領域上にGe濃度が50%でノンドープのSiGeからなる第1の半導体層103と、Ge濃度が25%でノンドープの第2の半導体層104とを形成する。第1の半導体層103の膜厚は例えば10nmとし、第2の半導体層104の膜厚は例えば20nmとする。ここで、第1の半導体層103及び第2の半導体層104を構成するSiGe層はCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによってエピタキシャル成長される。   Next, as shown in FIG. 2C, a first semiconductor layer 103 made of non-doped SiGe with a Ge concentration of 50% on the P-type FET region of the semiconductor substrate 100 (active region 102a), and a Ge concentration of A 25% non-doped second semiconductor layer 104 is formed. The film thickness of the first semiconductor layer 103 is, for example, 10 nm, and the film thickness of the second semiconductor layer 104 is, for example, 20 nm. Here, the SiGe layers constituting the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 are epitaxially grown by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like.

SiGe層を形成する際には、シリコン系の原料ガスとして、例えばモノシラン(SiH)を用いる。また、ゲルマニウム系の原料ガスとしては、例えばモノゲルマン(GeH)を用いる。それらの混合ガスを用い、水素、あるいは窒素ガス雰囲気中550℃の条件下でSiGe層を堆積する。また、Ge濃度の制御は、堆積中のゲルマニウム系の原料ガスの流量を制御することで調整する。ゲルマニウム系の原料ガスの流量を増大させることで、より高濃度にGeを含有するSiGe層が形成される。 When forming the SiGe layer, for example, monosilane (SiH 4 ) is used as a silicon-based source gas. As germanium-based source gas, for example, monogermane (GeH 4 ) is used. Using these mixed gases, a SiGe layer is deposited under conditions of 550 ° C. in an atmosphere of hydrogen or nitrogen gas. The Ge concentration is adjusted by controlling the flow rate of the germanium-based source gas during deposition. By increasing the flow rate of the germanium-based source gas, a SiGe layer containing Ge at a higher concentration is formed.

次に、図3(a)に示すように、フッ酸処理により保護膜150(図示せず)を除去した後、第2の半導体層104の表面をオゾンで酸化させて膜厚が1nmのシリコン酸化膜105を形成し、シリコン酸化膜105上に膜厚が2nmのハフニウム酸化物等で構成された高誘電率絶縁膜106を形成する。続いて、高誘電率絶縁膜106上に膜厚が10nmのTiN膜108を形成し、その上に、膜厚が100nmのポリシリコン膜109を形成する。   Next, as shown in FIG. 3A, after the protective film 150 (not shown) is removed by hydrofluoric acid treatment, the surface of the second semiconductor layer 104 is oxidized with ozone to form silicon having a thickness of 1 nm. An oxide film 105 is formed, and a high dielectric constant insulating film 106 made of hafnium oxide or the like having a thickness of 2 nm is formed on the silicon oxide film 105. Subsequently, a TiN film 108 having a thickness of 10 nm is formed on the high dielectric constant insulating film 106, and a polysilicon film 109 having a thickness of 100 nm is formed thereon.

その後、図3(b)に示すように、レジストパターニング、ドライエッチングを行うことで、シリコン酸化膜105a及び高誘電率絶縁膜106aで構成されたゲート絶縁膜107aと、下部ゲート電極108a及び上部ゲート電極109aで構成されたゲート電極110aとを形成する。ゲート電極110aのゲート寸法(ゲート長)は例えば40nmとする。   Thereafter, as shown in FIG. 3B, resist patterning and dry etching are performed, so that the gate insulating film 107a composed of the silicon oxide film 105a and the high dielectric constant insulating film 106a, the lower gate electrode 108a, and the upper gate are formed. A gate electrode 110a composed of the electrode 109a is formed. The gate dimension (gate length) of the gate electrode 110a is, for example, 40 nm.

次に、図3(c)に示すように、ゲート電極110aをマスクとして、第2の半導体層104中にボロンを注入することでp型エクステンション注入領域111Aを形成する。また、ゲート電極110aをマスクとして第1の半導体層103中にヒ素を注入することでn型ポケット注入領域112Aを形成する。p型エクステンション注入領域111Aの形成とn型ポケット注入領域112Aの形成はどちらを先に行ってもよい。   Next, as shown in FIG. 3C, p-type extension implantation region 111A is formed by implanting boron into second semiconductor layer 104 using gate electrode 110a as a mask. Further, arsenic is implanted into the first semiconductor layer 103 using the gate electrode 110a as a mask, thereby forming an n-type pocket implantation region 112A. Either the p-type extension implantation region 111A or the n-type pocket implantation region 112A may be formed first.

本工程において、ボロンのイオン注入は、加速エネルギー0.5keV、ドーズ量5×1014atoms/cm、チルト角0度の条件下(注入深さRp=4nm)で行う。また、ヒ素のイオン注入は、加速エネルギー25keV、ドーズ量3×1013atoms/cm、チルト角15度、4回転の条件下(注入深さRp=25nm)で行う。 In this step, boron ion implantation is performed under the conditions of an acceleration energy of 0.5 keV, a dose of 5 × 10 14 atoms / cm 2 , and a tilt angle of 0 degree (implantation depth Rp = 4 nm). The arsenic ion implantation is performed under the conditions of an acceleration energy of 25 keV, a dose amount of 3 × 10 13 atoms / cm 2 , a tilt angle of 15 degrees, and four rotations (implantation depth Rp = 25 nm).

次いで、図4(a)に示すように、基板(作製中の半導体装置)上に膜厚が40nm程度のシリコン窒化膜を形成した後、ドライエッチングによって全面エッチバックをすることで、ゲート電極の側面上に幅40nmのシリコン窒化膜からなるサイドウォールスペーサ113aを形成する。   Next, as shown in FIG. 4A, after a silicon nitride film having a thickness of about 40 nm is formed on the substrate (semiconductor device being fabricated), the entire surface is etched back by dry etching, so that the gate electrode is formed. A side wall spacer 113a made of a silicon nitride film having a width of 40 nm is formed on the side surface.

次に、図4(b)に示すように、ゲート電極110a及びサイドウォールスペーサ113aをマスクとしてp型不純物を活性領域102aに注入することで、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。注入用の不純物としてボロンを用い、加速エネルギー1.5keV、ドーズ量4×1015atoms/cmの条件下でイオン注入を行うことで、第1の半導体層103、第2の半導体層104及び半導体基板100の上部にp型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。 Next, as shown in FIG. 4B, p-type source / drain implantation regions 114A are formed by implanting p-type impurities into the active region 102a using the gate electrode 110a and the sidewall spacer 113a as a mask. Boron is used as an impurity for implantation, and ion implantation is performed under conditions of an acceleration energy of 1.5 keV and a dose of 4 × 10 15 atoms / cm 2 , so that the first semiconductor layer 103, the second semiconductor layer 104, and A p-type source / drain implantation region 114 A is formed on the semiconductor substrate 100.

次に、図4(c)に示すように、1000℃、0秒の条件下でスパイクアニールを行うことで、イオン注入により導入された不純物を活性化させる。このアニールにより、p型エクステンション注入領域111A中のボロンが拡散してp型エクステンション領域111aが形成され、n型ポケット注入領域112A中のヒ素が拡散してp型エクステンション領域111aと接するn型ポケット領域112aが形成される。また、p型ソース/ドレイン注入領域114Aはp型ソース/ドレイン領域114aとなる。なお、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとの接合部の第2の半導体層104の上面からの深さは約20nmとなる。   Next, as shown in FIG. 4C, spike annealing is performed under the conditions of 1000 ° C. and 0 seconds to activate the impurities introduced by ion implantation. By this annealing, boron in the p-type extension implantation region 111A is diffused to form the p-type extension region 111a, and arsenic in the n-type pocket implantation region 112A is diffused to contact the p-type extension region 111a. 112a is formed. Also, the p-type source / drain implantation region 114A becomes a p-type source / drain region 114a. Note that the depth of the junction between the p-type extension region 111a and the n-type pocket region 112a from the upper surface of the second semiconductor layer 104 is about 20 nm.

本工程では、Ge濃度が高い第1の半導体層103によってボロンの拡散が抑制されるため、p型エクステンション領域111aとn型ポケット領域112aとの接合部の深さは第2の半導体層104の膜厚と同程度になる。また、n型ポケット注入領域112A中のヒ素は、第2の半導体層104によって上方への拡散が抑えられ、主に第1の半導体層103中を拡散する。   In this step, since the diffusion of boron is suppressed by the first semiconductor layer 103 having a high Ge concentration, the depth of the junction between the p-type extension region 111a and the n-type pocket region 112a is the same as that of the second semiconductor layer 104. It is almost the same as the film thickness. Further, arsenic in the n-type pocket implantation region 112 </ b> A is prevented from being diffused upward by the second semiconductor layer 104, and is mainly diffused in the first semiconductor layer 103.

なお、図2(c)に示すエピタキシャル成長の際に加わる熱と、本工程の熱処理とによってnウェル領域100aやn型ポケット注入領域112Aに含まれるn型不純物が第1の半導体層103のうちゲート電極110aの下方に位置する部分に拡散することで、n型下層SiGe層103aが形成され、n型不純物が第2の半導体層104のうちゲート電極110aの下方に位置する部分に拡散することで、n型上層SiGe層104aが形成される。   Note that the n-type impurity contained in the n-well region 100a and the n-type pocket implantation region 112A is included in the gate of the first semiconductor layer 103 due to the heat applied during the epitaxial growth shown in FIG. By diffusing to a portion located below the electrode 110a, an n-type lower SiGe layer 103a is formed, and an n-type impurity is diffused to a portion located below the gate electrode 110a in the second semiconductor layer 104. Then, the n-type upper SiGe layer 104a is formed.

このように、本実施形態の方法では、半導体基板100上に下層のGe濃度が高く、上層のGe濃度が低い積層SiGe層を形成する。これにより、活性化アニール中に、ポケット不純物がゲート電極110aの下方領域へと拡散するのが抑制される。また、エクステンション不純物の下層のSiGe層(第1の半導体層103)への拡散は抑制されるので、p型エクステンション領域111aの接合深さを上層のSiGe層(第2の半導体層104)の膜厚と同程度まで浅くすることが可能となる。その結果、逆短チャネル特性の発生を抑制しつつ、短チャネル特性の改善が可能となり、SiGeチャネルを適用することによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長の短いトランジスタにおいても維持することが可能になる。   Thus, in the method of this embodiment, a stacked SiGe layer having a lower Ge concentration and a lower upper Ge concentration is formed on the semiconductor substrate 100. This suppresses the diffusion of pocket impurities into the lower region of the gate electrode 110a during the activation annealing. Further, since diffusion of extension impurities into the lower SiGe layer (first semiconductor layer 103) is suppressed, the junction depth of the p-type extension region 111a is set to the upper SiGe layer (second semiconductor layer 104). It can be as shallow as the thickness. As a result, the short channel characteristics can be improved while suppressing the occurrence of reverse short channel characteristics, and the threshold voltage reduction effect by applying the SiGe channel can be maintained even in a transistor having a short gate length. become.

なお、以上で説明した第1の半導体層103や第2の半導体層104の形成条件、p型エクステンション注入領域111A、n型ポケット注入領域112A、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する際のイオン注入条件、活性化アニール条件などは一例であって、これらの条件に限定されるものではない。   The formation conditions of the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104, the p-type extension implantation region 111A, the n-type pocket implantation region 112A, and the p-type source / drain implantation region 114A described above are formed. Ion implantation conditions, activation annealing conditions, and the like are examples, and are not limited to these conditions.

なお、上記の例では、p型エクステンション注入領域111A、n型ポケット注入領域112Aを形成する目的で、それぞれ、ボロン、ヒ素をイオン注入しているが、これらに限らない。p型エクステンション領域111a形成用の不純物としてボロン以外にもBFが挙げられる。また、n型ポケット領域112a形成用の不純物として、リンが挙げられる。 In the above example, boron and arsenic are ion-implanted for the purpose of forming the p-type extension implantation region 111A and the n-type pocket implantation region 112A, respectively, but it is not limited thereto. In addition to boron, BF 2 can be used as an impurity for forming the p-type extension region 111a. An example of the impurity for forming the n-type pocket region 112a is phosphorus.

また、上記説明では、保護膜150としてシリコン酸化膜を例に挙げているが、SiGe層の堆積を阻害し、容易に除去できる膜であればこれに限らない。例えば、保護膜150としてシリコン窒化膜を用いることも可能である。この場合、熱燐酸を用いることで保護膜150の除去が可能になる。   In the above description, a silicon oxide film is used as an example of the protective film 150. However, the protective film 150 is not limited to this as long as it prevents the SiGe layer from being deposited and can be easily removed. For example, a silicon nitride film can be used as the protective film 150. In this case, the protective film 150 can be removed by using hot phosphoric acid.

また、図2(b)に示す工程では、半導体基板100のP型FET領域をエッチングする方法として、半導体基板100を高温下HCl雰囲気中に暴露する例に挙げているが、これに限らない。例えば、反応性イオンエッチング法を用いて半導体基板100をエッチングしてもよい。   In the step shown in FIG. 2B, the method of etching the P-type FET region of the semiconductor substrate 100 is described as an example in which the semiconductor substrate 100 is exposed to an HCl atmosphere at a high temperature, but is not limited thereto. For example, the semiconductor substrate 100 may be etched using a reactive ion etching method.

なお、第2の半導体層104の上にシリコン酸化膜を形成する例について説明したが、第2の半導体層104上にCVD法などによりSi層を形成してもよい。Si層を形成することで、第2の半導体層104上にシリコン酸化膜105aを形成する場合に比べてシリコン酸化膜105aの膜質を向上させることができ、移動度の劣化等を抑制することができる。ただし、Si層が厚すぎるとSi層中にチャネルが形成されてしきい値電圧低減効果が減少するため、Si層の膜厚は3nm以下であることが望ましい。   Note that although an example in which a silicon oxide film is formed over the second semiconductor layer 104 has been described, a Si layer may be formed over the second semiconductor layer 104 by a CVD method or the like. By forming the Si layer, the film quality of the silicon oxide film 105a can be improved as compared with the case where the silicon oxide film 105a is formed over the second semiconductor layer 104, and deterioration of mobility and the like can be suppressed. it can. However, if the Si layer is too thick, a channel is formed in the Si layer and the effect of reducing the threshold voltage is reduced. Therefore, the thickness of the Si layer is desirably 3 nm or less.

なお、ここではP型FETの製造方法について説明したが、CMOS構造を形成する場合、図1(a)に示すように公知のシリコンチャネルを有するN型FETをP型FETと同一基板上に形成することが望ましい。   Although a method for manufacturing a P-type FET has been described here, when a CMOS structure is formed, an N-type FET having a known silicon channel is formed on the same substrate as the P-type FET as shown in FIG. It is desirable to do.

−n型不純物領域の変形例−
図1(a)に示す半導体装置は、n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下に位置する部分に含まれるn型不純物の濃度が、n型不純物領域152のうちゲート電極110aの下方に位置する部分に含まれるn型不純物の濃度より高い。これに対し、n型不純物領域152のうち第1の半導体層103内に設けられた部分の不純物濃度がほぼ均一な半導体装置について以下説明する。
-Modification of n-type impurity region-
In the semiconductor device shown in FIG. 1A, the concentration of the n-type impurity contained in the portion of the n-type impurity region 152 located below the p-type extension region 111a is such that the gate electrode 110a of the n-type impurity region 152 It is higher than the concentration of the n-type impurity contained in the portion located below. On the other hand, a semiconductor device in which the impurity concentration in the portion of the n-type impurity region 152 provided in the first semiconductor layer 103 is substantially uniform will be described below.

図5(a)は、図1(a)に示す半導体装置の変形例を示す断面図である。同図において、図1に示す半導体装置と同一又は対応する層又は部材には図1と同じ符号を付している。   FIG. 5A is a cross-sectional view showing a modification of the semiconductor device shown in FIG. In this figure, the same or corresponding layers or members as those of the semiconductor device shown in FIG.

図5(a)に示すように、本変形例に係る半導体装置では、図1(a)に示す半導体装置と同様に、半導体基板100の活性領域102a上にSiGeからなる第1の半導体層103と、第1の半導体層103よりもGe濃度が低いSiGeからなる第2の半導体層104とが設けられている。しかし、n型不純物領域152の第2の半導体層104及び半導体基板100への拡がりは図1(a)に示す半導体装置よりも小さい。これは、後述のように、CVD法を用いたin-situドーピングを行うため、制御性良く不純物を導入できるからである。また、n型不純物領域152のうち第1の半導体層103内に形成された部分に含まれるn型不純物の濃度は熱拡散によるばらつきが多少あるものの、ほぼ均一になっている。特に、n型不純物領域152のうち第1の半導体層103内であって、且つゲート電極110aの下方に位置する部分の不純物濃度は均一になっている。   As shown in FIG. 5A, in the semiconductor device according to this modification, as in the semiconductor device shown in FIG. 1A, the first semiconductor layer 103 made of SiGe is formed on the active region 102a of the semiconductor substrate 100. And a second semiconductor layer 104 made of SiGe having a Ge concentration lower than that of the first semiconductor layer 103 is provided. However, the spread of the n-type impurity region 152 to the second semiconductor layer 104 and the semiconductor substrate 100 is smaller than that of the semiconductor device shown in FIG. This is because, as will be described later, since in-situ doping is performed using a CVD method, impurities can be introduced with good controllability. In addition, the concentration of the n-type impurity contained in the portion of the n-type impurity region 152 formed in the first semiconductor layer 103 is almost uniform although there is some variation due to thermal diffusion. In particular, the impurity concentration in the n-type impurity region 152 in the first semiconductor layer 103 and below the gate electrode 110a is uniform.

第1の半導体層103のn型不純物濃度は例えば3×1018atoms/cmであり、n型上層SiGe層204中のn型不純物濃度は、例えば1×1017atoms/cmである。このように、第2の半導体層104のうちのゲート電極110aの下方に位置する部分であるn型上層SiGe層204中のn型不純物濃度は第1の半導体層103中のn型不純物濃度より低くてよい。n型不純物領域152(及び第1の半導体層103)に含まれるn型不純物は例えばヒ素であるが、リンであってもよい。 The n-type impurity concentration of the first semiconductor layer 103 is, for example, 3 × 10 18 atoms / cm 3 , and the n-type impurity concentration in the n-type upper SiGe layer 204 is, for example, 1 × 10 17 atoms / cm 3 . As described above, the n-type impurity concentration in the n-type upper SiGe layer 204, which is a portion located below the gate electrode 110 a in the second semiconductor layer 104, is greater than the n-type impurity concentration in the first semiconductor layer 103. It can be low. The n-type impurity contained in the n-type impurity region 152 (and the first semiconductor layer 103) is, for example, arsenic, but may be phosphorus.

図5(b)は、本変形例に係る半導体装置と従来の半導体装置におけるゲート長としきい値電圧の関係を示す図である。同図では、(1)図5(a)に示す積層SiGe層上にゲート電極を設けた本変形例の半導体装置と、(2)単層SiGe層上にゲート電極を設けた従来の半導体装置と、(3)一般的なSi基板上にゲート電極を設けた従来の半導体装置とについてのシミュレーション結果を示している。   FIG. 5B is a diagram showing the relationship between the gate length and the threshold voltage in the semiconductor device according to this variation and the conventional semiconductor device. In this figure, (1) the semiconductor device of this modification in which a gate electrode is provided on the laminated SiGe layer shown in FIG. 5A, and (2) a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a single-layer SiGe layer. And (3) a simulation result for a conventional semiconductor device in which a gate electrode is provided on a general Si substrate.

この構成においても、SiGeで構成された第2の半導体層104内にチャネルが形成されるので、Siチャネルを有する半導体装置に比べてしきい値電圧を大きく低減できる(図5(b)参照)。また、n型不純物領域152のうちp型エクステンション領域111aの下に位置する部分は、図1(a)に示すn型ポケット領域112aと同様に、ゲート長の短縮に伴うしきい値電圧の急激な低下やソース−ドレイン間のリーク電流の発生などの短チャネル効果を効果的に抑えることができる。このことは、図5(b)で、ゲート長Lgが所定値以上であれば、広いゲート長範囲でしきい値電圧の変動が従来の半導体装置よりも非常に小さくなっていることからも分かる。   Also in this configuration, since the channel is formed in the second semiconductor layer 104 made of SiGe, the threshold voltage can be greatly reduced as compared with the semiconductor device having the Si channel (see FIG. 5B). . In addition, the portion of the n-type impurity region 152 located below the p-type extension region 111a has a threshold voltage abrupt as the gate length is shortened, similar to the n-type pocket region 112a shown in FIG. Short channel effects such as a significant decrease and the generation of a leakage current between the source and drain can be effectively suppressed. This can be seen from FIG. 5B that if the gate length Lg is greater than or equal to a predetermined value, the threshold voltage variation is much smaller than that of the conventional semiconductor device over a wide gate length range. .

また、第2の半導体層104のGe濃度は第1の半導体層103のGe濃度より低くなっているため、n型不純物の第2の半導体層104内への拡散量は少なくなっており、図1(a)に示す半導体装置と同様に逆短チャネル特性は改善されている(図5(b)参照)。さらに、p型不純物の第1の半導体層103への拡散量も比較的少なくなっているので、p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の深さを従来の半導体装置に比べて浅くすることができる。   In addition, since the Ge concentration of the second semiconductor layer 104 is lower than the Ge concentration of the first semiconductor layer 103, the amount of n-type impurities diffused into the second semiconductor layer 104 is small. Similar to the semiconductor device shown in FIG. 1A, the reverse short channel characteristics are improved (see FIG. 5B). Further, since the diffusion amount of the p-type impurity into the first semiconductor layer 103 is also relatively small, the depth of the junction between the p-type extension region 111a and the n-type impurity region 152 is compared with the conventional semiconductor device. Can be shallow.

なお、本変形例に係る半導体装置において、ここで説明した以外の構成は図1(a)に示す半導体装置と実質的に同じである。例えば、ゲート絶縁膜107aは膜厚が1nmのシリコン酸化膜105aと膜厚が2nmの高誘電率絶縁膜106aとで構成され、ゲート電極110aはTiNからなり、膜厚が10nmの下部ゲート電極108aと、ポリシリコンからなり、膜厚が100nmの上部ゲート電極109aとで構成されている。   Note that the semiconductor device according to this modification has substantially the same configuration as that of the semiconductor device shown in FIG. For example, the gate insulating film 107a is composed of a silicon oxide film 105a having a thickness of 1 nm and a high dielectric constant insulating film 106a having a thickness of 2 nm, the gate electrode 110a is made of TiN, and the lower gate electrode 108a having a thickness of 10 nm. And an upper gate electrode 109a made of polysilicon and having a thickness of 100 nm.

ゲート長方向のゲート電極110aの幅は40nmであり、ゲート電極110aの側面上に設けられたサイドウォールスペーサ113aの幅は40nmである。また、第1の半導体層103中のGe濃度は50%であり、第2の半導体層104中のGe濃度は25%である。   The width of the gate electrode 110a in the gate length direction is 40 nm, and the width of the sidewall spacer 113a provided on the side surface of the gate electrode 110a is 40 nm. Further, the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 is 50%, and the Ge concentration in the second semiconductor layer 104 is 25%.

第1の半導体層103の膜厚は例えば10nmであり、第2の半導体層104の膜厚は例えば20nmである。p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の深さは、第2の半導体層104の上面から20nmであり、第2の半導体層104の膜厚と同程度となっている。   The film thickness of the first semiconductor layer 103 is, for example, 10 nm, and the film thickness of the second semiconductor layer 104 is, for example, 20 nm. The depth of the junction between the p-type extension region 111 a and the n-type impurity region 152 is 20 nm from the upper surface of the second semiconductor layer 104, which is approximately the same as the thickness of the second semiconductor layer 104.

−変形例に係る半導体装置の製造方法−
図6(a)〜(c)及び図7(a)〜(c)は、本変形例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。
-Manufacturing method of semiconductor device according to modification-
6A to 6C and FIGS. 7A to 7C are cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a semiconductor device according to this modification.

まず、図2(a)に示す工程と同様の工程により、シリコンなどからなるn型の半導体基板100にnウェル領域100aを形成した後、素子分離領域(図示せず)を形成することで、活性領域102aを形成する。   First, by forming an n-well region 100a in an n-type semiconductor substrate 100 made of silicon or the like by a process similar to the process shown in FIG. 2A, an element isolation region (not shown) is formed. An active region 102a is formed.

次に、図6(a)に示すように、半導体基板100の活性領域102a上にヒ素が例えば3×1018atoms/cmの濃度で添加され、SiGeからなり、膜厚が10nmの第1の半導体層103と、ノンドープのSiGeからなり、膜厚が20nmの第2の半導体層104とを順次エピタキシャル成長させる。第1の半導体層103中のGe濃度は例えば50%とし、第2の半導体層104中のGe濃度は25%とする。第1の半導体層103及び第2の半導体層104のエピタキシャル成長は例えばCVD法によって行う。 Next, as shown in FIG. 6A, arsenic is added to the active region 102a of the semiconductor substrate 100 at a concentration of, for example, 3 × 10 18 atoms / cm 3 , is made of SiGe, and has a thickness of 10 nm. The semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 made of non-doped SiGe and having a thickness of 20 nm are sequentially epitaxially grown. For example, the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 is 50%, and the Ge concentration in the second semiconductor layer 104 is 25%. The epitaxial growth of the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 is performed by, for example, a CVD method.

シリコン系の原料ガスとして、例えばモノシラン(SiH)を用いる。また、ゲルマニウム系の原料ガスとしては、例えばモノゲルマン(GeH)を用いる。それらの混合ガスを用い、水素、あるいは窒素ガス雰囲気中550℃の条件下でSiGe層を堆積する。また、Ge濃度の制御は、堆積中のゲルマニウム系の原料ガスの流量を制御することで調整する。ゲルマニウム系の原料ガスの流量を増大させることで、より高濃度にGeを含有するSiGe層が形成される。 For example, monosilane (SiH 4 ) is used as the silicon-based source gas. As germanium-based source gas, for example, monogermane (GeH 4 ) is used. Using these mixed gases, a SiGe layer is deposited under conditions of 550 ° C. in an atmosphere of hydrogen or nitrogen gas. The Ge concentration is adjusted by controlling the flow rate of the germanium-based source gas during deposition. By increasing the flow rate of the germanium-based source gas, a SiGe layer containing Ge at a higher concentration is formed.

また、第1の半導体層103へのn型不純物導入は、当該CVD法を用いたin-situドーピングにより行われる。具体的には、第1の半導体層103を構成するSiGe層の堆積時にモノシラン、モノゲルマンに加え、アルシン(AsH)をドーピングガスとして添加することで、ヒ素を第1の半導体層103中にドーピングする。 In addition, introduction of n-type impurities into the first semiconductor layer 103 is performed by in-situ doping using the CVD method. Specifically, arsenic is added into the first semiconductor layer 103 by adding arsine (AsH 3 ) as a doping gas in addition to monosilane and monogermane when the SiGe layer constituting the first semiconductor layer 103 is deposited. Doping.

次に、図6(b)に示すように、ゲート絶縁膜107a及びゲート電極110aを形成する。   Next, as shown in FIG. 6B, a gate insulating film 107a and a gate electrode 110a are formed.

具体的には、第2の半導体層104の表面をオゾンで酸化させて膜厚が1nmのシリコン酸化膜を形成し、シリコン酸化膜上に膜厚が2nmのハフニウム酸化物等で構成された高誘電率絶縁膜を形成する。続いて、高誘電率絶縁膜上に膜厚が10nmのTiN膜を形成し、その上に、膜厚が100nmのポリシリコン膜を形成する。   Specifically, the surface of the second semiconductor layer 104 is oxidized with ozone to form a 1 nm-thickness silicon oxide film, and the silicon oxide film is formed of a 2 nm-thick hafnium oxide or the like. A dielectric insulating film is formed. Subsequently, a TiN film having a thickness of 10 nm is formed on the high dielectric constant insulating film, and a polysilicon film having a thickness of 100 nm is formed thereon.

その後、レジストパターニング、ドライエッチングを行うことで、シリコン酸化膜105a及び高誘電率絶縁膜106aで構成されたゲート絶縁膜107aと、下部ゲート電極108a及び上部ゲート電極109aで構成されたゲート電極110aとを形成する。ゲート電極110aのゲート寸法(ゲート長)は例えば40nmとする。   After that, by performing resist patterning and dry etching, a gate insulating film 107a composed of a silicon oxide film 105a and a high dielectric constant insulating film 106a, and a gate electrode 110a composed of a lower gate electrode 108a and an upper gate electrode 109a Form. The gate dimension (gate length) of the gate electrode 110a is, for example, 40 nm.

次に、図6(c)に示すように、ゲート電極110aをマスクとして、第2の半導体層104中にボロンを注入することでp型エクステンション注入領域111Aを形成する。本工程において、ボロンのイオン注入は、加速エネルギー0.5keV、ドーズ量5×1014atoms/cm、チルト角0度の条件下(注入深さRp=4nm)で行う。これにより、p型エクステンション注入領域は上層部の第2の半導体層104中に主に形成される。 Next, as shown in FIG. 6C, by using the gate electrode 110a as a mask, boron is implanted into the second semiconductor layer 104, thereby forming a p-type extension implantation region 111A. In this step, boron ion implantation is performed under the conditions of an acceleration energy of 0.5 keV, a dose of 5 × 10 14 atoms / cm 2 , and a tilt angle of 0 degree (implantation depth Rp = 4 nm). Thereby, the p-type extension implantation region is mainly formed in the second semiconductor layer 104 in the upper layer portion.

次いで、図7(a)に示すように、基板(作製中の半導体装置)上に膜厚が40nm程度のシリコン窒化膜を形成した後、ドライエッチングによって全面エッチバックをすることで、ゲート電極の側面上に幅40nmのシリコン窒化膜からなるサイドウォールスペーサ113aを形成する。   Next, as shown in FIG. 7A, after a silicon nitride film having a thickness of about 40 nm is formed on the substrate (semiconductor device being fabricated), the entire surface is etched back by dry etching, so that the gate electrode is formed. A side wall spacer 113a made of a silicon nitride film having a width of 40 nm is formed on the side surface.

次に、図7(b)に示すように、ゲート電極110a及びサイドウォールスペーサ113aをマスクとしてp型不純物を活性領域102aに注入することで、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。注入用の不純物としてボロンを用い、加速エネルギー1.5keV、ドーズ量4×1015atoms/cmの条件下でイオン注入を行うことで、第1の半導体層103、第2の半導体層104及び半導体基板100の上部にp型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する。 Next, as shown in FIG. 7B, a p-type source / drain implanted region 114A is formed by implanting p-type impurities into the active region 102a using the gate electrode 110a and the sidewall spacer 113a as a mask. Boron is used as an impurity for implantation, and ion implantation is performed under conditions of an acceleration energy of 1.5 keV and a dose of 4 × 10 15 atoms / cm 2 , so that the first semiconductor layer 103, the second semiconductor layer 104, and A p-type source / drain implantation region 114 A is formed on the semiconductor substrate 100.

次に、図7(c)に示すように、1000℃、0秒の条件下でスパイクアニールを行うことで、イオン注入により導入された不純物を活性化させる。このアニールにより、p型エクステンション注入領域111A中のボロンが拡散してp型エクステンション領域111aが形成される。また、p型ソース/ドレイン注入領域114Aはp型ソース/ドレイン領域114aとなる。第1の半導体層103に含まれるn型不純物が周囲に拡散することで、n型不純物領域152が形成される。なお、p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の第2の半導体層104の上面からの深さは第2の半導体層104の膜厚と同程度(例えば約20nm)となる。これは、第1の半導体層103中のGeの濃度が高いので、ボロンの第1の半導体層103への拡散が抑制されるからである。   Next, as shown in FIG. 7C, spike annealing is performed under the conditions of 1000 ° C. and 0 seconds to activate the impurities introduced by ion implantation. By this annealing, boron in the p-type extension implantation region 111A is diffused to form the p-type extension region 111a. Also, the p-type source / drain implantation region 114A becomes a p-type source / drain region 114a. An n-type impurity region 152 is formed by diffusing the n-type impurity contained in the first semiconductor layer 103 to the periphery. Note that the depth of the junction between the p-type extension region 111a and the n-type impurity region 152 from the upper surface of the second semiconductor layer 104 is approximately the same as the thickness of the second semiconductor layer 104 (for example, about 20 nm). . This is because since the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 is high, diffusion of boron into the first semiconductor layer 103 is suppressed.

また、本工程の熱処理によって第2の半導体層104のうちゲート電極110aの直下に位置する部分には、第1の半導体層103からn型不純物が拡散し、n型上層SiGe層204が形成される。   Further, the n-type impurity is diffused from the first semiconductor layer 103 to form the n-type upper SiGe layer 204 in the portion of the second semiconductor layer 104 located immediately below the gate electrode 110a by the heat treatment in this step. The

以上の方法によれば、図6(a)に示す工程で、SiGe層のうち、第1の半導体層103にのみin-situドーピングによって均一な濃度でn型不純物が導入されるため、注入ばらつきや結晶欠陥の発生がほとんど生じない。そのため、第2の半導体層104の上面部へのn型不純物の拡散が抑えられ、逆短チャネル効果の発生が効果的に防がれている。そのため、ポケット領域として機能するn型不純物領域152を、図1(a)に示す半導体装置に比べて、第2の半導体層104の上面からさらに遠ざけることが可能になる。   According to the above method, in the step shown in FIG. 6A, since the n-type impurity is introduced into the first semiconductor layer 103 in the SiGe layer at a uniform concentration only by the in-situ doping, there is a variation in implantation. And crystal defects hardly occur. Therefore, the diffusion of n-type impurities into the upper surface portion of the second semiconductor layer 104 is suppressed, and the occurrence of the reverse short channel effect is effectively prevented. Therefore, the n-type impurity region 152 functioning as a pocket region can be further away from the upper surface of the second semiconductor layer 104 than the semiconductor device shown in FIG.

なお、n型不純物をイオン注入により導入する方法では、ターゲットとなる注入深さ(Rp)に対して深さばらつき(ΔRp)を有し、さらに、イオン注入時のダメージにより半導体基板100中に欠陥を発生させる場合がある。これに対し、本変形例に係る方法では、n型ポケット領域として機能するn型不純物領域152の形成位置のばらつきを抑えることができる。   Note that the method of introducing n-type impurities by ion implantation has a depth variation (ΔRp) with respect to the target implantation depth (Rp), and further defects in the semiconductor substrate 100 due to damage during ion implantation. May occur. On the other hand, in the method according to this modification, variations in the formation position of the n-type impurity region 152 functioning as the n-type pocket region can be suppressed.

また、上述のように、p型エクステンション領域111aとn型不純物領域152との接合部の深さを浅くすることができるので、短チャネル特性も大きく改善される。このため、SiGe層にチャネルを形成させることによるしきい値電圧低減効果を、ゲート長が短縮されたトランジスタにおいても維持することが可能になる。   Further, as described above, since the depth of the junction between the p-type extension region 111a and the n-type impurity region 152 can be reduced, the short channel characteristics are also greatly improved. Therefore, the effect of reducing the threshold voltage by forming a channel in the SiGe layer can be maintained even in a transistor with a shortened gate length.

なお、各層の膜厚や第1の半導体層103、第2の半導体層104中のGe濃度、n型不純物濃度などは上述の例に限定されず、設定したいしきい値電圧や短チャネル特性の劣化の度合に合わせて任意に選択することができる。   Note that the thickness of each layer, the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104, the n-type impurity concentration, and the like are not limited to the above-described examples, and the threshold voltage and short channel characteristics to be set It can be arbitrarily selected according to the degree of deterioration.

また、以上の方法によれば、図6(a)に示す工程で、in-situドーピングによって第1の半導体層103中にn型不純物が導入されるので、イオン注入によってn型不純物を導入する場合に比べてn型不純物領域152の位置及び濃度を精度良く制御することが可能になる。その結果、図1(a)に示す半導体装置に比べてより高精度に短チャネル特性が改善されうる。   Further, according to the above method, since the n-type impurity is introduced into the first semiconductor layer 103 by in-situ doping in the step shown in FIG. 6A, the n-type impurity is introduced by ion implantation. Compared to the case, the position and concentration of the n-type impurity region 152 can be controlled with higher accuracy. As a result, the short channel characteristics can be improved with higher accuracy than the semiconductor device shown in FIG.

また、第2の半導体層104の膜厚をp型エクステンション領域111aのn型不純物領域152との接合部の深さと同程度にし、第1の半導体層103中へのエクステンション不純物の拡散を抑制することで、短チャネル特性の更なる改善が可能になる。   In addition, the thickness of the second semiconductor layer 104 is set to be approximately the same as the depth of the junction between the p-type extension region 111a and the n-type impurity region 152, and diffusion of extension impurities into the first semiconductor layer 103 is suppressed. As a result, the short channel characteristics can be further improved.

第1の半導体層103中のGe濃度は0%を越え、且つ100%以下であればよく、第2の半導体層104中のGe濃度は第1の半導体層103のGe濃度より小さければ、0%以上で且つ100%未満であってよい。ただし、しきい値電圧低減の観点から、第2の半導体層104のGe濃度は10%以上であることが好ましい。また、ゲート電極110aの下方領域へのn型不純物の拡散抑制や、p型エクステンション領域111aのn型不純物領域152との接合位置を浅くする観点から、第1の半導体層103中のGe濃度は第2の半導体層104中のGe濃度よりも10%以上高いことが望ましい。また、第1の半導体層103の膜厚は、n型不純物領域152による短チャネル特性の抑制効果を保つため、5nm以上20nm以下の範囲とすることが望ましい。   The Ge concentration in the first semiconductor layer 103 may be more than 0% and not more than 100%. If the Ge concentration in the second semiconductor layer 104 is lower than the Ge concentration in the first semiconductor layer 103, the Ge concentration is 0. % Or more and less than 100%. However, from the viewpoint of threshold voltage reduction, the Ge concentration of the second semiconductor layer 104 is preferably 10% or more. Further, from the viewpoint of suppressing the diffusion of n-type impurities into the lower region of the gate electrode 110a and shallowing the junction position of the p-type extension region 111a with the n-type impurity region 152, the Ge concentration in the first semiconductor layer 103 is It is desirable that the Ge concentration in the second semiconductor layer 104 be 10% or higher. The film thickness of the first semiconductor layer 103 is preferably in the range of 5 nm to 20 nm in order to maintain the effect of suppressing the short channel characteristics by the n-type impurity region 152.

また、上述の例では、p型エクステンション領域111aを第2の半導体層104内に形成しているが、p型エクステンション領域111aの形成位置の不純物濃度のピーク位置はこれに限られない。例えば、p型エクステンション領域111aが第2の半導体層104内だけでなく、第1の半導体層103内に形成されていてもよい。   In the above example, the p-type extension region 111a is formed in the second semiconductor layer 104. However, the peak position of the impurity concentration at the position where the p-type extension region 111a is formed is not limited to this. For example, the p-type extension region 111 a may be formed not only in the second semiconductor layer 104 but also in the first semiconductor layer 103.

また、上述の方法では、短チャネル効果抑制用のn型不純物が第1の半導体層103内でほぼ均一に含まれている例を説明したが、n型不純物のin-situドーピングとイオン注入とを組み合わせて行ってもよい。この場合、図6(c)に示すp型エクステンション注入領域111Aの形成前後にn型不純物のイオン注入を行えばよい。これにより、n型不純物領域152またはn型ポケット領域の位置や不純物濃度の設定の自由が増し、不純物の分布等を最適化することが容易に可能となる。   In the above-described method, the example in which the n-type impurity for suppressing the short channel effect is substantially uniformly included in the first semiconductor layer 103 has been described. However, in-situ doping of n-type impurity, ion implantation, You may carry out in combination. In this case, ion implantation of n-type impurities may be performed before and after the formation of the p-type extension implantation region 111A shown in FIG. Thereby, the position of the n-type impurity region 152 or the n-type pocket region and the freedom of setting the impurity concentration are increased, and the impurity distribution and the like can be easily optimized.

また、上述の例では、第2の半導体層104上にシリコン酸化膜105aが形成されているが、第2の半導体層104上に例えばエピタキシャル成長させた薄いSi層を形成した後、当該Si層の上にシリコン酸化膜を形成してもよい。Si層を形成することにより、シリコン酸化膜105aの膜質を向上させることができ、移動度劣化などのP型FETの特性劣化を抑制することが可能となる。ただし、Si層を厚くし過ぎるとSiGeで構成された第2の半導体層だけでなくSi層中にもチャネルが形成され、しきい値電圧低減効果が減少する。このため、Si層の膜厚は0nmを越え、且つ3nm以下であることが望ましい。   In the above example, the silicon oxide film 105a is formed on the second semiconductor layer 104. However, after forming a thin Si layer epitaxially grown on the second semiconductor layer 104, for example, A silicon oxide film may be formed thereon. By forming the Si layer, the film quality of the silicon oxide film 105a can be improved, and it is possible to suppress deterioration of characteristics of the P-type FET such as mobility deterioration. However, if the Si layer is too thick, a channel is formed not only in the second semiconductor layer made of SiGe but also in the Si layer, and the threshold voltage reduction effect is reduced. For this reason, it is desirable that the thickness of the Si layer exceeds 0 nm and is 3 nm or less.

また、第1の半導体層103、第2の半導体層104の歪状態については特に限定しないが、しきい値電圧を効果的に低減させるため、両層には適切な歪が印加されていることが望ましい。   In addition, the strain state of the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 is not particularly limited, but appropriate strain is applied to both layers in order to effectively reduce the threshold voltage. Is desirable.

また、シリコン酸化膜105a、高誘電率絶縁膜106a、下部ゲート電極108a、上部ゲート電極109a、サイドウォールスペーサ113a等の構成材料、膜厚は上記で説明した内容に限定されない。これらの部材の構成は、本実施形態の構成によって得られる効果には影響を与えない。   Further, the constituent materials and film thicknesses of the silicon oxide film 105a, the high dielectric constant insulating film 106a, the lower gate electrode 108a, the upper gate electrode 109a, the sidewall spacer 113a, and the like are not limited to the contents described above. The configuration of these members does not affect the effect obtained by the configuration of the present embodiment.

なお、上記では、P型FETについて説明を行っているが、CMOS構造を形成する場合は、図1(a)に示す半導体装置と同様、チャネル領域がSiで構成されたN型FETをP型FETと同一の半導体基板上に設けることが望ましい。この場合、図2(a)〜(c)に示す工程によりSiGeで構成された第1の半導体層103及び第2の半導体層104をP型FET領域上に選択的に形成すればよい。   In the above description, the P-type FET has been described. However, when a CMOS structure is formed, an N-type FET having a channel region made of Si is used as a P-type as in the semiconductor device shown in FIG. It is desirable to provide it on the same semiconductor substrate as the FET. In this case, the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 made of SiGe may be selectively formed on the P-type FET region by the steps shown in FIGS.

なお、以上で説明した第1の半導体層103や第2の半導体層104の形成条件、p型エクステンション注入領域111A、p型ソース/ドレイン注入領域114Aを形成する際のイオン注入条件、活性化アニール条件などは一例であって、これらの条件に限定されるものではない。   Note that the formation conditions of the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104 described above, the ion implantation conditions for forming the p-type extension implantation region 111A and the p-type source / drain implantation region 114A, and activation annealing. The conditions and the like are examples, and are not limited to these conditions.

なお、上記説明では、p型エクステンション領域111aを形成するために、ボロンをイオン注入しているが、これ以外のイオンを注入してもよい。ボロンに代えて例えばBFを注入してもよい。また、第1の半導体層103を形成する際にはアルシンをドーピングガスとして用いているが、これに限らずフォスフィン(PH)を用いてもよい。 In the above description, boron is ion-implanted to form the p-type extension region 111a. However, other ions may be implanted. For example, BF 2 may be injected instead of boron. In addition, although arsine is used as a doping gas when forming the first semiconductor layer 103, phosphine (PH 3 ) may be used without being limited thereto.

以上、説明を行ったように、上述の実施形態及びその変形例に係る半導体装置は、微細化が進んだP型FETを含む集積回路などに利用される。   As described above, the semiconductor device according to the above-described embodiment and its modification is used for an integrated circuit including a P-type FET that has been miniaturized.

100 半導体基板
100a nウェル領域
100b pウェル領域
101 素子分離領域
102a、102b 活性領域
103 第1の半導体層
103a n型下層SiGe層
104 第2の半導体層
104a n型上層SiGe層
105、105a、105b シリコン酸化膜
106、106a、106b 高誘電率絶縁膜
107a、107b ゲート絶縁膜
108 TiN膜
108a、108b 下部ゲート電極
109 ポリシリコン膜
109a、109b 上部ゲート電極
110a、110b ゲート電極
111A p型エクステンション注入領域
111a p型エクステンション領域
111b n型エクステンション領域
112A n型ポケット注入領域
112a n型ポケット領域
112b p型ポケット領域
113a、113b サイドウォールスペーサ
114A p型ソース/ドレイン注入領域
114a p型ソース/ドレイン領域
114b n型ソース領域/ドレイン領域
150 保護膜
151 Siエッチング
152 n型不純物領域
204 n型上層SiGe層
100 semiconductor substrate 100a n-well region 100b p-well region 101 element isolation regions 102a and 102b active region 103 first semiconductor layer 103a n-type lower SiGe layer 104 second semiconductor layer 104a n-type upper SiGe layers 105, 105a and 105b silicon Oxide films 106, 106a, 106b High dielectric constant insulating films 107a, 107b Gate insulating films 108 TiN films 108a, 108b Lower gate electrodes 109 Polysilicon films 109a, 109b Upper gate electrodes 110a, 110b Gate electrodes 111A p-type extension implantation regions 111a p Type extension region 111b n type extension region 112A n type pocket implantation region 112a n type pocket region 112b p type pocket regions 113a and 113b Side wall spacer 114 p-type source / drain implant region 114a p-type source / drain regions 114b n-type source / drain regions 150 protective film 151 Si etch 152 n-type impurity regions 204 n-type upper SiGe layer

Claims (17)

半導体基板上に形成されたPチャネル型トランジスタを備えた半導体装置であって、
前記Pチャネル型トランジスタは、
前記半導体基板上に形成され、ゲルマニウムを含有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に形成され、前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に第1のゲート絶縁膜を間に挟んで形成された第1のゲート電極と、
前記第2の半導体層のうち前記第1のゲート電極の両側方に位置する部分に形成されたp型の第1のエクステンション領域と、
少なくとも前記第1の半導体層内に設けられ、且つ前記第1のエクステンション領域の下に形成されたn型不純物領域とを有している半導体装置。
A semiconductor device comprising a P-channel transistor formed on a semiconductor substrate,
The P-channel transistor is
A first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate and containing germanium;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and containing germanium at a lower concentration than the first semiconductor layer;
A first gate electrode formed on the second semiconductor layer with a first gate insulating film interposed therebetween;
A p-type first extension region formed in a portion of the second semiconductor layer located on both sides of the first gate electrode;
A semiconductor device having at least an n-type impurity region provided in the first semiconductor layer and formed below the first extension region.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記n型不純物領域は、一方の前記第1のエクステンション領域の下から前記第1のゲート電極の下方領域を通って他方の前記第1のエクステンション領域の下に亘って設けられており、
前記第1の半導体層のうち前記第1のエクステンション領域の下に位置する部分のn型不純物濃度は、前記第1の半導体層のうち前記第1のゲート電極の下方に位置する部分のn型不純物濃度よりも高い半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The n-type impurity region is provided from under one of the first extension regions through a region under the first gate electrode and under the other first extension region,
The n-type impurity concentration of the portion of the first semiconductor layer located below the first extension region is the n-type impurity concentration of the portion of the first semiconductor layer located below the first gate electrode. A semiconductor device with a higher impurity concentration.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記n型不純物領域は前記第2の半導体層の下部にまで拡がっており、
前記n型不純物領域のうち前記第2の半導体層の下部に設けられた部分のn型不純物濃度は、前記n型不純物領域のうち前記第1のエクステンション領域の下で且つ前記第1の半導体層内に設けられた部分のn型不純物濃度よりも低い半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The n-type impurity region extends to a lower portion of the second semiconductor layer;
A portion of the n-type impurity region provided below the second semiconductor layer has an n-type impurity concentration below the first extension region of the n-type impurity region and the first semiconductor layer. A semiconductor device having an n-type impurity concentration lower than that of a portion provided therein.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記n型不純物領域は、一方の前記第1のエクステンション領域の下から前記第1のゲート電極の下方を通って他方の前記第1のエクステンション領域の下に亘って設けられており、
前記n型不純物領域のうち前記第1の半導体層内に設けられた部分のn型不純物濃度はほぼ均一である半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The n-type impurity region is provided from below one of the first extension regions to below the first gate electrode and below the other first extension region,
A semiconductor device in which an n-type impurity concentration in a portion of the n-type impurity region provided in the first semiconductor layer is substantially uniform.
請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1の半導体層及び前記第2半導体層には、歪みが印加されている半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A semiconductor device in which strain is applied to the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
請求項1〜5のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第2の半導体層中のゲルマニウムの原子濃度は10%以上である半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor device in which an atomic concentration of germanium in the second semiconductor layer is 10% or more.
請求項1〜6のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1の半導体層中のゲルマニウムの原子濃度は、前記第2の半導体層中のゲルマニウムの原子濃度よりも10%以上高い半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device in which an atomic concentration of germanium in the first semiconductor layer is 10% or more higher than an atomic concentration of germanium in the second semiconductor layer.
請求項1〜7のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1の半導体層の膜厚は、5nm以上且つ20nm以下である半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor device in which the film thickness of the first semiconductor layer is not less than 5 nm and not more than 20 nm.
請求項1〜8のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記Pチャネル型トランジスタは、前記第2半導体層と前記第1のゲート絶縁膜との間に設けられたシリコンからなる第3の半導体層をさらに有している半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
The P-channel transistor further includes a third semiconductor layer made of silicon provided between the second semiconductor layer and the first gate insulating film.
請求項9に記載の半導体装置において、
前記第3の半導体層の膜厚は3nm以下である半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
A semiconductor device in which the film thickness of the third semiconductor layer is 3 nm or less.
請求項1〜10のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記半導体基板上に第2のゲート絶縁膜を間に挟んで形成された第2のゲート電極と、前記半導体基板のうち前記第2のゲート電極の両側方に位置する部分に形成されたn型の第2のエクステンション領域とを備えたNチャネル型トランジスタをさらに備えている半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
A second gate electrode formed on the semiconductor substrate with a second gate insulating film interposed therebetween; and an n-type formed on a portion of the semiconductor substrate located on both sides of the second gate electrode. A semiconductor device further comprising an N-channel transistor including the second extension region.
請求項11に記載の半導体装置において、
前記半導体基板のうち前記第2のゲート電極の下方に位置する部分は、シリコンで構成されている半導体装置。
The semiconductor device according to claim 11,
A portion of the semiconductor substrate located below the second gate electrode is a semiconductor device made of silicon.
請求項1〜12のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1のゲート絶縁膜は高誘電率絶縁体材料を含んでおり、
前記第1のゲート電極は、金属又は導電性の金属化合物からなる下部ゲート電極と、下部ゲート電極上に設けられ、ポリシリコンからなる上部ゲート電極とで構成されている半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 12,
The first gate insulating film includes a high dielectric constant insulator material;
The first gate electrode includes a lower gate electrode made of metal or a conductive metal compound, and an upper gate electrode made of polysilicon and provided on the lower gate electrode.
請求項1〜13のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第2の半導体層の膜厚は、前記第1のエクステンション領域と前記n型不純物領域との接合位置の深さと等しい半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 13,
The thickness of the second semiconductor layer is a semiconductor device equal to the depth of the junction position between the first extension region and the n-type impurity region.
半導体基板上にゲルマニウムを含有する第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層上に前記第1の半導体層よりも低濃度のゲルマニウムを含有する第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層上にゲート絶縁膜を間に挟んでゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記第2の半導体層にp型不純物イオンを注入しエクステンション注入領域を形成する工程と、
前記半導体基板に熱処理を加えることで前記エクステンション注入領域内の不純物を活性化させ、前記第2の半導体層のうち前記ゲート電極の両側方に位置する領域にp型のエクステンション領域を形成する工程とを備えている半導体装置の製造方法。
Forming a first semiconductor layer containing germanium on a semiconductor substrate;
Forming a second semiconductor layer containing germanium at a lower concentration than the first semiconductor layer on the first semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the second semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween;
Implanting p-type impurity ions into the second semiconductor layer using the gate electrode as a mask to form an extension implantation region;
Applying heat treatment to the semiconductor substrate to activate impurities in the extension implantation region, and forming a p-type extension region in regions of the second semiconductor layer located on both sides of the gate electrode; A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
請求項15に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ゲート電極の形成後、前記エクステンション領域の形成前に前記ゲート電極をマスクとして前記第1の半導体層にn型不純物イオンを注入してポケット注入領域を形成する工程をさらに備え、
前記エクステンション領域の形成工程では、前記ポケット注入領域内のn型不純物を活性化させることで、前記第1の半導体層内であって前記エクステンション領域の下にn型不純物領域を形成する半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 15,
After forming the gate electrode and before forming the extension region, the method further comprises a step of implanting n-type impurity ions into the first semiconductor layer using the gate electrode as a mask to form a pocket implantation region.
In the extension region forming step, an n-type impurity in the pocket implantation region is activated to form an n-type impurity region in the first semiconductor layer and below the extension region. Production method.
請求項15に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の半導体層を形成する際にはin-situドーピングによりn型不純物が導入され、
前記エクステンション領域の形成工程では、n型不純物領域である前記第1の半導体層の上に前記エクステンション領域が形成される半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 15,
When forming the first semiconductor layer, n-type impurities are introduced by in-situ doping,
In the extension region forming step, the extension region is formed on the first semiconductor layer which is an n-type impurity region.
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